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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA CENTRO INTEGRADO DE SAÚDE FACULDADE DE ODONTOLOGIA PPG MESTRADO EM CLÍNICA ODONTOLÓGICA FERNANDO LUIZ GOULART CRUZ INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO PROXIMODISTAL DO MINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO, NA DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES: ANÁLISE NUMÉRICA Juiz de Fora 2012

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Page 1: FERNANDO LUIZ GOULART CRUZÀ Profa.Dra.Flávia de Souza Bastos pelos ensinamentos, confiança, incentivos e sobretudo pela paciência, indispensáveis a conclusão deste trabalho

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

CENTRO INTEGRADO DE SAÚDE

FACULDADE DE ODONTOLOGIA

PPG – MESTRADO EM CLÍNICA ODONTOLÓGICA

FERNANDO LUIZ GOULART CRUZ

INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO

PROXIMODISTAL DO MINI-IMPLANTE

ORTODÔNTICO, NA DISTRIBUIÇÃO DE

TENSÕES: ANÁLISE NUMÉRICA

Juiz de Fora

2012

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FERNANDO LUIZ GOULART CRUZ

INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO

PROXIMODISTAL DO MINI-IMPLANTE

ORTODÔNTICO, NA DISTRIBUIÇÃO DE

TENSÕES: ANÁLISE NUMÉRICA

Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Clínica Odontológica, da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Juiz de Fora, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre. Área de concentração: Clínica Odontológica.

Orientadora: Profª. Drª. Fabíola Pessôa Pereira Leite

Co-Orientadora: Profª. Drª. Flávia de Souza Bastos

Juiz de Fora 2012

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Cruz, Fernando Luiz Goulart.

Influência da orientação proximodistal do mini-implante ortodôntico, na distribuição de tensões: análise numérica / Fernando Luiz Goulart Cruz. – 2012.

79 f. : il.

Dissertação (Mestrado em Clínica Odontológica)—Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2012.

1. Implante dentário. I. Título.

CDU 616.314-089.843

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AGRADECIMENTO

À Deus, por acrescentar a fé ao pensamento racional dos homens, induzindo não apenas à dúvida,

mas sobretudo, à crença inabalável na transpiração dos limites da dúvida.

Aos meus amados pais Fernando, Dida, Mauro e Lena que sem medir esforços souberam educar

seus filhos com amor e bom senso, firmando bases sólidas que sempre sustentaram um ambiente

familiar alegre e agradável! Muito obrigado pelo amor e apóio incondicional de vocês nesta jornada e

por compreenderem minha ausência em muitas ocasiões.

Aos meus queridos irmãos Silvia, Gustavo e Paulo Vicente, sempre companheiros, confidentes e

acima de tudo amigos.

À Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF, representada pelo

Prof. Dr. Antônio Márcio Resende do Carmo, Diretor da Faculdade de Odontologia e pela Profa.

Dra. Maria das Graças Afonso de Miranda Chaves, Coordenadora do Programa de Pós-Graduação

do Curso de Mestrado em Clínica Odontológica pela oportunidade da realização do Curso de

Mestrado. Devo a esta instituição, aos seus professores, à sua história e tradição. Tenho muito

orgulho por ter estudado nesta casa.

Ao Departamento de Mecânica Aplicada e Computacional da Faculdade de Engenharia da

Universidade Federal de Juiz de Fora pela oportunidade de abrir as suas portas para o

desenvolvimento de um trabalho inter-disciplinar, pelos ensinamentos e sua cotribuição no

desenvolvimento.

À Profa. Dr

a. Fabíola Pessôa Pereira Leite,

Doutora em Prótese pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP - São José dos Campos, SP. Professora Adjunta da Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF. E minha orientadora neste e em muitos outros trabalhos…

Não é sempre que temos a oportunidade de agradecer. Às vezes a oportunidade surge, mas falta-nos

motivos para o agradecimento. Se os motivos sobram, ainda pode faltar o reconhecimento e a

gratidão. Quando tudo isso está presente, nem sempre sabemos a quem agadecer. Mas hoje o

reconhecimento é imperativo! Pois hoje tenho a oportunidade, conheço os motivos claramente e

sobra-me o reconhecimento para agradecer a Professora Fabíola!

São quase cinco anos de ensinamentos e orientações de amizade e cordialidade firmada, trabalhos e

oportunidade concedidas. Enfim, por ajudar-me a chegar onde estou, e proporcionar-me a alçar

novos voos. Muito obrigado!

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À Prof

a. Dr

a. Flávia de Souza Bastos pelos ensinamentos, confiança, incentivos e sobretudo pela

paciência, indispensáveis a conclusão deste trabalho. Sempre foi muito atenciosa com os meus

pedidos de realização dos experimentos, prestando inestimável e, sobretudo, imediata ajuda na

simulação por análise de elementos finitos.

Ao Prof. Dr. Mauro Cruz por sua grandiosa ajuda na idealização e execução deste trabalho e

principalmente, por estar sempre pronto a me acolher! Você representa todos os meus sonhos, é por

você que construo castelos e escrevo histórias nas páginas de nossas vidas.

À Profa. Dr

a. Maria das Graças Afonso de Miranda Chaves, Coodernadora do Progrma de Pós-

Graduação do Curso de Mestrado em Clínica Odontológica, pelos ensinamentos, oportunidade,

carinho e confiança depositados.

Ao Prof. Dr. Elson Magalhães Toledo por transmitir de forma simples, sincera e direta os seus

valiosos conhecimentos e experiências, com uma exímia contribuição para este trabalho.

Ao Prof. Dr. Eduardo Piza Pellizzer, exemplo de competência e dedicação à odontologia, minha

gratidão por aceitar fazer parte da Banca Examinadora deste trabalho.

Ao acadêmico e bolsista de Iniciação Científica da Faculdade de Engenharia da UFJF, Walter

Roberto Giannetti Júnior pela presteza sempre que solicitado, contribuindo com os seus

conhecimentos de modelagem computacional e pelo empenho no desenvolvimento deste trabalho.

Aos Docentes do Quadro do Programa de Pós-Graduação Mestrado em Clínica Odontológica da

Universidade Federal de Juiz de Fora por todos os ensinamentos transmitidos durante o

desenvolvimento das disciplinas e seminários, incentivando as abordagens e pesquisas.

Aos colegas dos cusos de mestrado pela convivência agradável e proveitosa, recheada de

ensinamentos científicos e humanos e tão importante quanto os créditos.

À Wanessa de Fátima Alonso Ribeiro, por sua paciência e por sempre estar disposta ajudar.

À Andréia Talma pela boa vontade de sempre e contribuição nas ilustrações.

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À CAPES pela concessão da bolsa de estudos ao longo do curso de Mestrado em Clínica

Odontológica.

Ao corpo clínico do Clinest - Centro Clínico de Pesquisa em Estomatologia, em especial Dr.

Antônio Carlos Cruz e Dra. Valéria Cruz e à equipe da BiomacMed pelo incentivo, participação e

apoio científico.

A todos que indiretamente contribuiram para a realização deste trabalho.

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CRUZ, F.L.G. Influência da orientação proximodistal do mini-implante ortodôntico, na distribuição de tensões: Análise numérica. 2012. 79f. Apresentação de Dissertação (Curso de Pós-Graduação Stricto Sensu – Mestrado em Clínica Odontológica) - Faculdade de Odontologia, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora (MG).

RESUMO

O objetivo deste estudo foi avaliar pelo método de elementos finitos (MEF), a

influência da orientação do Mini-implante Ortodôntico (MIO), em relação ao

carregamento, na distribuição de tensões no tecido ósseo. Por meio da interface

gráfica do programa de elementos finitos Abaqus/CAE, foram confeccionados

modelos tridimensionais, correspondentes a um MIO, a uma seção do osso maxilar e

dentes pré-molar e molar provenientes de cortes de tomografia computadorizada no

formato Dicom. Todas as partes foram consideradas como seções sólidas e

homogêneas, com propriedades isotrópicas e lineares-elásticas. Foi aplicada no MIO

uma força de 2N, decomposta a 45º em duas componentes sobre o plano normal ao

seu eixo longitudinal. Para a simulação numérica, o MIO foi instalado em nove

orientações proximodistais diferentes. Uma instalação ortogonal à superfície

vestibular (angulação de 0º), outras de -10º, -20º, -30º e -40º a favor da força

aplicada e 10º, 20º, 30º e 40º contrários à força aplicada. Por meio do critério de von

Mises e da análise das tensões principais observou-se que houve uma variação das

tensões em função da orientação, sendo que a situação que ocorreu menor

concentração para o osso cortical foi a de 0º, enquanto que a -20º e 20º ocorreram

maiores concentrações. Conclui-se que houve influência da orientação proximodistal

do MIO, em relação ao carregamento, na distribuição de tensões no tecido ósseo.

Palavras-chaves: análise de elemento finito; implante dentário; procedimentos de

ancoragem ortodôntica.

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CRUZ, F.L.G. Influence of the mesio-distal direction of the miniscrew on stress distribution: Numerical analysis. 2012. 79f. Apresentação de Dissertação (Curso de Pós-Graduação Stricto Sensu – Mestrado em Clínica Odontológica) - Faculdade de Odontologia, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora (MG).

ABSTRACT

The aim of this study was to evaluate, by finite element method (FEM), the influence

of load direction on stress distribution in bone tissue around orthodontic miniscrew.

By means of the graphic interface of Abaqus/CAE finite element program,

tridimensional models were made, corresponding to a miniscrew, section of maxillary

bone, premolar and molar teeth taken from computerized tomograph cuts in Dicom

format. All parts were considered solid and homogeneous sections with isotropic and

linear-elastic properties. A 2N force was applied on the miniscrew, decomposed in

two components at 45º on the plane normal to its longitudinal axis. For numerical

simulation, the miniscrew was placed in nine different mesio-distal directions. A

placement orthogonal to the vestibular surface (angulation of 0º), others of -10º, -20º,

-30º and -40º in favor of the force applied and 10º, 20º, 30º and 40º contrary to the

force applied. By means of von Mises criteria and analysis of main stressed it was

observed that there was a variation in stresses as a result of direction, and the most

attenuating situation for the cortical bone was that of 0º, whereas at -20º and 20º

higher stress concentrations occurred. It was concluded that there was influence of

the mesio-distal direction of the miniscrew in relation to load, of stress distribution in

bone tissue.

Keywords: Dental Implantation; Finite Element Analysis; Orthodontic Anchorage

Procedures

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Abaqus/CAE - Complete Abaqus Environment

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

– Módulo de elasticidade ou módulo de Young

ELI – extra low intersticial

GPa – Giga Pascal

gf – Grama força

gf/cm2 – Grama força por centímetro quadrado

MEF – Método de elementos finitos

MIO – Mini-implante ortodôntico

MPa - Mega Pascal

mm - Milímetros

Ncm – Newtom centímetro

N/m2 - Newton por metro quadrado

Pa – Pascal

rpm – Rotações por minuto

SI – Sistema Internacional

SLA – Sandblasted; Large grit; Acid etching. Jateamento com partículas grandes e

ataque ácido.

Ti-6Al-4V – Liga de titânio grau 5, composta por titânio, 6%aluminio e 4% vanádio de

acordo com a norma NBR ISO 5832-3.

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LISTA DE SÍMBOLOS

- Ângulo alfa no plano vertical

– Ângulo beta no plano horizontal

- Deformação específica

u - Deslocamento

- Coeficiente de Poisson

® - Marca registrada

% - Porcentagem

- Tensão normal

Tensão cisalhante

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – A) MIO autorrosqueante (Absoanchor, Dentos, Daegu, Coréia do Sul) - B) MIO autoperfurante (Omni, BiomacMed, Juiz de Fora, MG, Brasil) ......................................................................................

23

Figura 2 – Orientações ocluso-apicais do MIO em relação ao plano

ósseo da lâmina vestibular da maxila num plano vertical (CHOI et al., 2009) .........................................................................................................

29

Figura 3 – Orientação ocluso-apical do MIO em relação ao plano ósseo

da lâmina vestibular da maxila num plano vertical. As letras correspondem aos seguintes planos: V = Vestibular; A = Ápice; P = Palatino; O = Oclusal ...........................................................................................

30

Figura 4 - Orientação proximodistal do MIO em relação ao plano ósseo da lâmina vestibular da maxila num plano horizontal. Vista superior do corte de uma hemi-maxila. As letras correspondem aos seguintes planos: D = Distal; P = Palatino; M = Mesial; V = Vestibular. Prox = Proximal; b = ângulo beta no plano horizontal..........................................

30

Figura 5 - Classificação quantitativa dos ossos maxilares (Lekholm &

Zarb, 1985) ...............................................................................................

35

Figura 6 - Classificação qualitativa dos ossos maxilares (Lekholm &

Zarb, 1985) ...............................................................................................

35

Figura 7 – Malha bi-dimensional de uma maxila atrófica e do MIO .......

43

Figura 8 - MIO autoperfurante Omni® (BiomacMed, Juiz de Fora, Minas

Gerais, Brasil) ...........................................................................................

44

Figura 9 – Referências ocluso-apical e mesio-distal do MIO em relação

ao plano ósseo .........................................................................................

47

Figura 10 – Esquema explicativo das diferentes orientações do MIO ...

47

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Gráfico 1 - Tensões Máximas de von Mises atuantes no MIO, osso

compacto, osso esponjoso e nos dentes pré-molar e molar ....................

50

Figura 11 – Critério de von Mises para orientação de +30o

Respectivamente: a) modelo completo; b) modelo seccionado; c) osso

maxilar; d) MIO; e) osso cortical; f) osso medular; g) pré-molar; h)

molar .........................................................................................................

50/51

Figura 12 – Critério de von Mises para orientação de -30o

Respectivamente: a) modelo completo; b) modelo seccionado; c) osso

maxilar; d) MIO; e) osso cortical; f) osso medular; g) pré-molar; h)

molar .........................................................................................................

Gráfico 2 - Concentração das tensões de tração no osso cortical de

acordo com as diferentes orientações ......................................................

52

53

Gráfico 3 - Concentração das tensões de compressão no osso cortical

de acordo com as diferentes orientações .................................................

53

Figura 13 – Método das seções. F = forças externas; N = força normal;

M = esforço torção; M”= esforço fletor; V = força cortante .......................

72

Figura 14 - Componentes de tensão atuando em um elemento cúbico

infinitesimal ...............................................................................................

74

Figura 15 – Tensões no estado plano .....................................................

74

Figura 16 – Diagrama Tensão-Deformação …….....………………………

76

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades mecânicas dos materiais utilizados nos

modelos ....................................................................................................

46

Tabela 2 – Maior concentração de tensões de von Mises (MPa) em função da orientação do MIO ...............................................................

49

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SUMARIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 15

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................... 17

2.1 Histórico do Mini-implante Ortodôntico ............................................. 17

2.2 Aplicações Ortodônticas ............................................................................. 19

2.3 Método de Inserção do Mini-implante Ortodôntico ........................... 22

2.4 Torque de Inserção .............................................................................. 23

2.5 Carregamento Ortodôntico .....................................................................

2.6 Estabilidade Mecânica ............................................................................

2.7 Índice de Sucesso e Fracasso do Mini-implante Ortodôntico ........

2.8 Orientação do Mini-implante Ortodôntico .........................................

2.9 Tecido ósseo como material estrutural ..............................................

2.10 Método dos Elementos Finitos ....................................................

2.10.1 Abaqus ....................................................................

25

25

27

28

34

38

39

3 PROPOSIÇÃO ..................................................................................................... 41

4 METODOLOGIA ................................................................................................. 42

4.1 Comitê de Ética em Pesquisa ................................................................... 42

4.2 Modelagem Geométrica ............................................................................. 42

4.3 Propriedades Mecânicas e Condições de Contorno ...................... 45

4.4 Posicionamento do Mini-implante ...........................................................

4.5 Análise numerica............................................................................

46

48

5 RESULTADOS ....................................................................................

6 DISCUSSÃO ........................................................................................

7 CONCLUSÃO ......................................................................................

49

54

60

REFERENCIAS ....................................................................................................... 61

ANEXOS ..................................................................................................................... 70

Anexo 1: Mecânica dos Materiais ............................................................... 70

1.1 Propriedade Mecânica dos Materiais ............................ 70

1.2 Forças Externas e Internas ........................................... 71

1.2 Tensão .......................................................................... 72

1.3 Deformação ................................................................... 75

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1.4 Diagrama Tensão - Deformação .................................. 75

1.5 Coeficiente de Poisson ................................................. 77

1.6 Critério de von Mises .................................................... 77

Anexo2: Parecer do Comitê de Ética em Pesquisa...................................... 79

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15

1 INTRODUÇÃO

A ancoragem ortodôntica pode ser definida como um conjunto mecânico,

natural ou artificial, que permite a aplicação de uma carga para se obter uma

movimentação dentária ou esquelética evitando movimentos indesejados. O controle

desta ancoragem é um aspecto difícil de ser alcançado no tratamento ortodôntico,

pois está sujeito à terceira lei de Newton onde toda ação provoca uma reação de

igual intensidade, mesma direção e em sentido contrário.

A ancoragem pode ser obtida por meio dos dentes, por dispositivos fixos ou

removíveis intraorais e extraorais, ou mais recentemente, pelo mini-implante

ortodôntico (MIO) (KYUNG, HONG e PARK, 2003; HERMANN e COPE, 2005).

Os primeiros implantes utilizados como mecanismo de ancoragem no

tratamento ortodôntico, foram os implantes dentais, instalados com o objetivo de

reposição de dentes perdidos (CREEKMORE e EKLUND, 1983; HERMANN e

COPE, 2005). Do uso destes implantes até hoje, inúmeros dispositivos foram

testados como bases de ancoragem, como as placas de fixação óssea utilizadas em

traumatologia e cirurgia ortognática, ligaduras zigomáticas, parafusos para fixação

de enxertos ósseos (MELSEN e VERNA, 2005), implantes palatinos (KYUNG,

HONG e PARK, 2003) e, finalmente, o chamado MIO (KONAMI, 1997; PARK et al.,

2001; KYUNG, HONG e PARK, 2003; HERMANN e COPE, 2005). Este último

reduziu a necessidade de colaboração do paciente e tornou a condução do

tratamento mais amena, tanto para os profissionais quanto para os pacientes.

O MIO promove pontos de ancoragem efetiva, mesmo quando existe a

necessidade de imediata ativação após a instalação, pois as forças ortodônticas são

insuficientes para alterar sua estabilidade (OHMAE et al., 2001; LIOU, PAI e YIN,

2004; VIWATTANATIPA et al., 2009). Apresenta-se como uma técnica simples e

pouco invasiva, o que proporciona algumas vantagens sobre outros dispositivos de

ancoragem como a simplicidade da instalação e remoção, além de fácil acesso a

exíguos locais de ancoragem (PARK, KWON e SUNG, 2005).

Com o uso deste mecanismo as soluções terapêuticas alargaram-se, a

exemplo da retração do segmento anterior sem o uso de aparelho extraoral,

alternativa à cirurgia ortognática (MELSEN e VERNA, 2005), verticalização de

molares, intrusão de dentes anteriores e até mesmo de molares. Esta, por exemplo,

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antes um desafio, hoje é um procedimento realizado sem dificuldades (PARK,

KWON e KWON, 2004; EL-BEIALY et al., 2009; KIM et al., 2009).

Os ídices de fracassos do MIO estão relacionados com a sua geometría, com

os aspectos biomecânicos e com os fatores do hospedeiro, tais como: diminuição da

densidade óssea (DEGUCHI et al., 2006), inflamação periimplantar, idade, higiene

oral, inflamação local (MIYAWAKI et al., 2003; CHENG et al., 2004) e colocação

em áreas de mucosa não ceratinizada (MIYAWAKI et al. 2003; CHENG et al, 2004;

PARK, KWON, SUNG 2005).

Entre os apectos biomecânicos estão a orientação em relação ao plano ósseo

e ao carregamento. Uma vez que, a princípio, o MIO não seria osseointegrado, uma

força de cisalhamento poderia levar ao seu afrouxamento e à conseqüente falha

(LEE et al., 2009). Este tipo de comportamento, frente às diferentes orientações,

pode ser considerado como um problema estrutural, já que no carregamento

funcional ocorre a geração de tensões e deformações no MIO e no tecido ósseo

adjacente, semelhantes aos dos problemas estruturais tradicionais de engenharia.

A distribuição de tensões no osso adjacente, provenientes do carregamento

de um MIO angulado, ainda não conseguiu ser aferida em modelo in vivo (GERAMY,

2009). O método dos elementos finitos é uma ferramenta computacional eficaz para

investigar tais tensões, pois permite o pesquisador reproduzir um "modelo"

aproximado de um sistema composto por diferentes tecidos/estruturas e atribuir

propriedades para esses componentes a fim de determinar as tensões e

deformações resultantes da aplicação de cargas externas, mudanças de

temperatura, além de outros fatores (CRUZ et al., 2009; GERAMY, 2009).

Em consideração à larga utilização do MIO para os mais variados propósitos,

é de suma importância prever o seu comportamento biomecânico em relação às

estruturas adjacentes como o osso e os dentes, pois os diferentes comprimentos do

braço de alavanca, das diferentes orientações do MIO poderiam gerar um acúmulo

de tensões e causar remodelações e até fraturas ósseas.

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17

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1 HISTÓRICO DO MINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO

A primeira tentativa de transferir as forças ortodônticas de ancoragem a

dispositivos fixados diretamente no tecido ósseo, foi realizada por Gainsforth e

Higley (1945). Os autores inseriram parafusos de Vitálio na mandíbula de cães e

utilizaram fios de aço para aplicar as forças ortodônticas aos dentes. Contudo, a

carga aplicada resultou na perda do parafuso.

Linkow em 1969, utilizou implantes laminados em uma paciente do sexo

feminino de 37 anos de idade, com finalidade protética, para aplicar elástico de

classe II e retrair os incisivos superiores.

Durante a década de 80, a elevada proporção de sucesso dos implantes

dentais (ADELL et al., 1981), despertou interesse nos ortodontistas e estes

passaram a ancorar as forças ortodônticas nos implantes dentais que

posteriormente seriam utilizados na reabilitação protética do paciente.

Creekmore e Eklund (1983) inseriram um implante dental, logo abaixo da

espinha nasal anterior, em uma paciente de 25 anos do sexo feminino; e após 10

dias, um elástico foi amarrado da plataforma do implante até o arco proporcionando

cerca de 6 mm de intrusão dos incisivos centrais superiores, apresentando ausência

de mobilidade durante o tratamento.

Embora conveniente à mecânica ortodôntica, este tipo de ancoragem com

implantes dentais apresentava importantes limitações. As dimensões destes

implantes exigiam a presença de áreas edêntulas com uma quantidade de tecido

ósseo suficiente para acomodá-los. Por esta razão, a região retromolar tornou-se um

dos poucos locais disponíveis para a implantação, sobretudo quando o paciente

apresentava uma dentição completa ou espaços edêntulos que seriam fechados

ortodonticamente. Além disso, o alto custo dos implantes dentais, a implantação e

remoção por meio de procedimentos cirúrgicos muito invasivos e o tempo

despendido nas fases de cicatrização e osseointegração, restringiram ainda mais a

aplicação rotineira destes implantes na clínica ortodôntica (WEHRBEIN et al., 1996).

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Com o intuito de suprir estas limitações sem, contudo, abdicar das vantagens

da ancoragem esquelética proporcionada pelos implantes dentais, surgiram os

implantes palatinos (WEHRBEIN et al., 1996), as miniplacas (SUGAWARA, 1999;

MELSEN e VERNA, 2005), a ancoragem zigomática (LIOU et al., 2007), os onplants

(BLOCK e HOFFMAN, 1995) e os mini-implantes (KONAMI, 1997; PARK et al.,

2001; KYUNG, HONG e PARK, 2003; HERMANN e COPE, 2005)

Os primeiros mini-implantes utilizados como ancoragem ortodôntica não

foram fabricados com este propósito. Estes pequenos parafusos de titânio foram

originalmente idealizados para fixação de enxertos ou fragmentos ósseos na cirurgia

buco-maxilo-facial ou na cirurgia plástica. Tinham em média 1,2 mm de diâmetro de

rosca e diversos comprimentos, não apresentavam transmucoso e a plataforma não

tinha qualquer design diferenciado para conectar molas, amarrilhos, elásticos ou fios

ortodônticos (KONAMI, 1997).

Posteriormente ao sucesso obtido com a ancoragem ortodôntica

proporcionada pelos pequenos parafusos de titânio para fixação óssea, surgiu o

interesse clínico e comercial para melhorar o design destes parafusos de modo que

eles pudessem atender melhor as necessidades mecânicas e biológicas do

tratamento ortodôntico e, assim, ampliar a sua aceitação e utilização. Como

resultado do trabalho conjunto entre empresas e pesquisadores, principalmente de

Konami (1997), surgiu no mercado uma grande variedade de marcas e tipos de

parafusos projetados com o propósito específico de servirem como ancoragem

durante o tratamento ortodôntico, chamados então de mini-implantes ortodônticos

(MIOs).

A primeira geração de MIO apresentava mudanças no formato da plataforma

em relação aos parafusos para fixação óssea, de modo que eles pudessem ser

facilmente conectados a elásticos, molas, fios de amarrilho e/ou fios ortodônticos,

dependendo da necessidade mecânica de cada caso (KYUNG et al. 2003; CARANO

et al., 2005; HERMAN e COPE, 2005; MELSEN e VERNA, 2005).

Em 2005, Carano et al. afirmaram que a palavra MIO deveria ser

aplicada a todos os implantes de pequenas dimensões que fossem utilizados como

ancoragem ortodôntica. No mesmo ano, Mah e Bergstrand concordaram com este

aspecto e indicaram que o termo mini-implante é mais adequado do que o micro-

implante, pois a palavra "micro" é definida como uma magnitude de 10-6.

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Atualmente, MIOs com diversas extensões de transmucoso permitem que

todo o comprimento da rosca seja inserido no tecido ósseo, favorecendo a sua

estabilidade e diminuindo o trauma nos tecidos moles adjacentes (TSENG et al.,

2006). A plataforma e o transmucoso possuem um polimento superficial, pois esta

parte do parafuso fica exposta ao meio bucal e, portanto, sujeita à colonização por

bactérias (CHIN et al., 2007).

Estes aprimoramentos foram realizados no intuito de favorecer a cicatrização

e a acomodação dos tecidos moles circunjacentes ao MIO, propiciar uma melhor

higienização do local, reduzir a formação de biofilme e a consequente inflamação

dos tecidos periimplantares, favorecer a estabilidade do MIO, aumentar o conforto

do paciente e tornar a sua conexão com o aparelho ortodôntico um procedimento

mais rápido e fácil.

Laboissiére et al. (2005) descreveram como vantagens da ancoragem

absoluta utilizando MIO, o maior conforto, a independência da colaboração do

paciente, diminuição da necessidade de aparelho extrabucal, elásticos

intermaxilares ou arcos estabilizadores linguais, maior previsibilidade no tratamento

ortodôntico, menor tempo de tratamento, estética favorável, simplificação da

mecânica em casos complexos, menor efeito colateral, cirurgia de instalação e

remoção simples e menos invasiva, baixo custo financeiro e dispensa do laboratório

de prótese.

Além disso, possui boa estabilidade de retenção e alta resistência mecânica,

o que torna possível uma imediata ativação (VIWATTANATIPA et al., 2009) e o seu

pequeno tamanho facilita o acesso a exíguos locais de ancoragem óssea (PARK,

KWON e SUNG, 2005).

2.2 APLICAÇÕES ORTODÔNTICAS

Lee, Park e Kyung (2001) relataram o uso do MIO em um paciente do sexo

feminino, de 19 anos de idade, com padrão esquelético Classe II. O MIO foi inserido

entre as raízes de primeiros e segundo molares, pelo osso alveolar palatino, com a

finalidade de retrair os seis dentes ântero-superiores utilizando molas ortodonticas.

Os autores obtiveram sucesso no tratamento e concluíram que o MIO fornece

ancoragem absoluta para a ortodontia.

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Park et al. (2001) conduziram um estudo no qual utilizaram um MIO de 1,2

mm de diâmetro e 6,0 mm de comprimento entre o segundo pré-molar e o primeiro

molar superior e entre os primeiro e segundo molares inferiores, em um paciente de

28 anos do sexo feminino. Os dentes ântero-superiores sofreram movimentos de

retração e translação e os molares inferiores foram intruídos. Os autores concluíram

que podem utilizar o MIO inserido entre raízes para retrair os dentes anteriores em

massa e intruir molares inferiores ao mesmo tempo.

Park, Kyung e Sung (2002) sugeriram por meio de pesquisas clínicas que as

melhores áreas para instalação dos MIOs são entre os pré-molares e molares por

vestibular na maxila; entre os primeiros e segundos molares por vestibular na

mandíbula e entre as raízes palatinas dos primeiros e segundos molares superiores,

para se ter movimentos ortodônticos mais controlados.

Trisi e Rebaudi (2002) instalaram 41 MIOs na região palatina e retro-molar de

pacientes adultos. Após aplicação de cargas ortodônticas, avaliaram clinicamente e

histologicamente a estabilidade do MIO e a reação óssea periiplantar. Constataram

que a técnica além de facilitar e agilizar o tratamento ortodôntico, permitiu inclinar,

verticalizar, distalizar, mesializar, intruir e extruir grupos de molares e pré-molares,

mantendo a estabilidade dos implantes, mesmo evidenciando micro fraturas, micro

rachaduras e micro calos no osso ao redor dos mesmos.

Liou, Pai e Yin (2004) realizaram uma pesquisa clínica para avaliar o

comportamento do MIO e observaram que estes representam uma ancoragem

estável, porém não absoluta, já que podem sofrer uma pequena inclinação no

sentido da aplicação da força.

Park et al. (2004) publicaram o resultado de três casos clínicos, sendo o

primeiro com inserção de MIO na maxila para permitir retração anterior com perda

de ancoragem posterior e para fechar os espaços de extração dos primeiros pré-

molares. O segundo caso mostrou o MIO inserido na mandíbula, para controlar a

posição vertical dos dentes posteriores inferiores promovendo melhoria no perfil

facial. No terceiro caso, o MIO foi inseridos em ambas as arcadas para permitir o

controle vertical dos molares inferiores. Desenvolveram uma estratégia para o

tratamento da Classe II e Classe III de caninos e molares utilizando o MIO associado

à terapia ortodôntica, permitindo a correção de linha média, discrepâncias sagitais,

retração, protração, intrusão e extrusão de dentes anteriores e posteriores, sem

efeitos colaterais nos dentes adjacentes.

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Park et al. (2005) propuseram um estudo para quantificar o efeito do

tratamento de distalização dos molares superiores e inferiores utilizando o MIO.

Concluíram que os primeiros pré-molares e molares mostraram distalização

significante sem efeitos colaterais importantes de distalização anterior. Os primeiros

pré-molares inferiores e os segundos molares inferiores sofreram distalização sem

movimentação dos dentes anteriores. Concluíram um sucesso de 90%, num período

de cinco a doze meses de tratamento, reforçando a indicação do MIO para

movimentos de distalização.

Lima et al. (2006) demonstraram por meio de casos clínicos, a eficácia do

tratamento ortodôntico, utilizando MIOs como ancoragem intrabucal para

proporcionar intrusão de molares superiores e inferiores, distalização e

verticalização de molares inferiores; além de ratificar a utilização do MIO nos

espaços inter-radiculares.

A superfície vestibular do rebordo alveolar posterior da maxila é o sítio mais

eleito para a instalação do MIO (CHATZIGIANNI, 2010).

Em suma, ao MIO instalado na parte posterior da maxila possibilita uma série

de movimentos ortodônticos, tais como:

1) Nivelamento do contorno gengival (ROTH, YILDIRIM e DIEDRICH, 2004);

2) distalização em massa do arco superior (PARK et al., 2004);

3) retração dos dentes anteriores (LEE, PARK e KYUNG, 2001; PARK et al., 2001;

PARK, KWON e SUNG, 2005);

4) mesialização dos molares superiores (TRISI e REBAUDI, 2002; PARK et al.,

2004; PARK et al., 2005) para correção de classe III (WIECHMANN, MEYER e

BUCHTER, 2007);

5) intrusão (PARK et al., 2001; TRISI e REBAUDI, 2002; PARK et al., 2004;

WIECHMANN MEYER e BUCHTER, 2007);

6) correção de planos oclusais inclinados (CARANO et al., 2005);

7) verticalização de molar (CHANG, LEE e CHUN, 2004);

8) fechamento de espaços pós extração (PARK et al., 2005);

9) correção de linha média (CARANO et al., 2005);

Estas aplicações e outras, como a extrusão (ROTH, YILDIRIM e DIEDRICH,

2004) e desimpactação de caninos e molares (AMMAR et al., 2011), também

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podem indicar o uso do MIO em outras áreas dos maxilares (MELSEN e VERNA,

2005; KIM et al., 2009).

Dependendo da ancoragem que o MIO fornece, elas podem ser

caracterizadas como direta ou indireta. Ancoragem direta é o ancoradouro onde a

força é aplicada diretamente sobre o MIO, enquanto que na fixação indireta,

um dente ou segmento de dentes é incorporado à ancoragem por meio de um arco

ou ligadura, ajudando na estabilização do MIO.

2.3 MÉTODOS DE INSERÇÃO DO MINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO

O MIO pode ser autorrosqueante ou autoperfurante (Figura 1), diferindo um

do outro quanto a geometría da ponta ativa e dos filetes. No primeiro caso, há

necessidade de se proceder uma perfuração guía com diâmetro igual ou menor ao

do corpo do implante, sem os filetes. No segundo caso, a instalação é feita sem

essa perfuração, ficando por conta do próprio implante esta ação. No entanto, tanto

um quanto outro, há de se considerar a tipología óssea para se supra ou sub

instrumentar, permitindo a inserção e não perdendo a estabilidade do implante.

Devido à sua ponta ativa e suas roscas possuírem alta capacidade de corte, o

MIO autoperfurante revela ter um procedimento operatório mais simplificado

(ARAÚJO, 2006).

Kim et al. (2005) implantaram 32 MIOs em cães, sendo 16 MIOs

autorrosqueantes e 16 MIOs autoperfurantes. Após uma semana aplicou-se uma

força de 200 gf a 300 gf com mola de níquel titânio. Doze semanas após a

implantação, a estabilidade foi testada com o Periotest e analisou-se

histologicamente o osso vizinho aos MIOs. Os resultados mostraram que o osso

remodelou e a osseointegração aconteceu mesmo nos MIOs submetidos a uma

carga imediata. A quantidade de área óssea em contato com o MIO foi superior no

grupo dos autoperfurantes, isto indica que estes MIOs podem apresentar melhor

estabilidade quando submetidos à carga imediata.

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A B

Figura 1 – A) MIO autorrosqueante (Absoanchor, Dentos, Daegu, Coréia do Sul) - B) MIO

autoperfurante (Omni, BiomacMed, Juiz de Fora, MG, Brasil)

2.4 TORQUE DE INSERÇÃO

O torque é definido a partir da componente perpendicular ao eixo de rotação

da força aplicada sobre um objeto, que é efetivamente utilizada para fazê-lo girar em

torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto pivô ou ponto de rotação

(CHEN et al. 2009).

O carregamento total que um MIO suporta é a soma da carga inicial, isto é, da

pré-carga devida ao torque de inserção e da carga imposta para a ancoragem. A

carga inicial de aperto pode ser controlada, estabelecendo-se o torque máximo de

inserção (DUCOS, 2010).

O torque para inserção de um MIO traduz a quantidade de estabilidade

conseguida e é, portanto, um fator importante para o sucesso do mecanismo de

ancoragem (CHEN et al. 2009). Wilmes et al. (2006) relataram uma correlação

positiva, estatisticamente significativa, entre o torque de inserção do MIO e os

valores de densidade óssea do local a ser utilizado, e concluíram que métodos

utilizados para a medição de torque durante a inserção do MIO devem ser usados

rotineiramente.

Segundo Motoyoshi (2006), em um estudo para aferir a média do torque de

inserção dos MIOs, constatou que em animais ela variou de 7,2Ncm a 13,5Ncm de

acordo com o local de inserção, sendo a média encontrada de 9Ncm. Houve uma

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diferença significante entre os instalados na maxila (8,3Ncm) e na mandíbula

(10Ncm).

De acordo com Marins (2008) os valores médios dos torques de fratura dos

MIOs variam de 9,77Ncm a 46,86Ncm. Todos os MIOs apresentaram torques de

fratura superiores aos torques de inserção e remoção. Os valores médios dos

torques máximos de inserção variaram de 3,8Ncm a 11,8Ncm e os valores médios

dos torques de remoção variaram de 3,0Ncm a 12,4Ncm.

Níveis de torque de inserção devem estar compreendidos entre certos limites,

uma vez que valores muito baixos ou muito altos podem ser críticos para o sucesso

do MIO. Motoyoshi et al. (2006) relataram altas taxas de perda quando o torque de

inserção era superior a 10Ncm para os MIOs com um diâmetro de 1,6 mm. Um valor

de torque de mais de 15Ncm no momento da inserção parece ser uma das variáveis

críticas para a sobrevivência de MIOs sob carga imediata (CHADDAD et al., 2008).

Os altos valores de torque podem resultar em taxas mais elevadas de

insucesso devido à compressão do osso, isquemia local e necrose óssea

(WAWRZINEK et al., 2008; WILMES e DRESCHER, 2008).

Torques entre 35 Ncm e 50 Ncm podem causar fratura do MIO do tipo dúctil,

ou seja, há deformação plástica. Wilmes et al. (2006) recomendam limitar o torque

de inserção a 20Ncm, para evitar as fraturas.

O MIO autorrosquente necesita de um orifício de perfuração. O diâmetro

desse orifício gera um impacto sobre o torque de inserção, que por sua vez é um

indicador da estabilidade. Quanto maior o torque de inserção, maior a estabilidade.

Su et al. (2009) compararam a estabilidade dos MIOs autorrosqueante e

autoperfurnate e concluíram que os autorrosqueantes normalmente possuem um

torque de inserção inferior aos autoperfurantes. No entanto, com base nas forças

laterais aplicadas, ambos os MIOs apresentaram resistência semelhantes.

Em uma revisão sistemática Chen et al. (2009) concluíram que quando

a broca piloto possuia 0,5 mm de diâmetro a menos que o diâmetro do MIO, as

taxas de sobrevivência variaram de 85% a 100%. Melsen (2005), relataram que a

broca piloto deve ser 0,2 mm a 0,3 mm menor que o diâmetro do MIO. De acordo

com esta afirmação, Park, Jeong e Kwon (2006) utilizaram um broca de 0,9 mm de

diâmetro para MIOs com 1,2 mm de diâmetro e verificaram uma a taxa de sucesso

de 90%.

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2.5 CARREGAMENTO ORTODÔNTICO

A maioria dos autores apóiam o fato de que o MIO pode ser carregado

imediatamente após sua instalação (KYUNG et al. 2003; MIYAWAKI et al., 2003),

porém outros defendem o período de cura de algumas semanas ou mesmo meses

para um resultado melhor na estabilidade (OHASHI et al., 2006; CHEN et al., 2008).

Miyawaki et al. (2003) sugeriram que a carga imediata em um MIO é possível

se a força aplicada for inferior a 2N. Essa carga é possível se a ancoragem

mecânica do MIO no osso alveolar for bem sucedida.

Cheng et al. (2004) verificaram que a carga na faixa de 1N a 2 N poderia ser

bem sustentada pelos MIOs, enquanto que não foi observada diferença significativa

na magnitude da carga entre os MIOs e o índice de falha.

Marassi et al. (2005) recomendaram uma aplicação de força de até 450 gf

sobre o MIO de 1,5 mm e de até 300 gf de força sobre os de 1,3 mm de diâmetro.

Afirmaram que o limite de força depende do tipo de osso onde o MIO é instalado

(maior resistência em osso tipo I).

Lima et al. (2006) demonstraram por meio de casos clínicos, que é permitido

aplicar 500 gf de força para intrusão de molar superior; 400 gf de força para intrusão

de molar inferior e 250 gf de força para distalização de molar inferior sem perda de

estabilidade do MIO.

A duração da força também pode contribuir para a estabilidade do MIO. Serra

et al. (2007) inseriram MIOs de 2 mm de diâmetro por 6 mm de comprimento em

coelhos e analisaram a cura interfacial em uma, quatro e doze semanas após a

colocação, por meio da medida de torque da força de remoção. A aplicação de carga

imediata não causou alterações significativas na fixação dos MIOs após uma e

quatro semanas de cicatrização óssea. No entanto, após doze semanas, o torque

era significativamente menor.

2.6 ESTABILIDADE MECÂNICA

O mecanismo de ação do MIO baseia-se no embricamento mecânico de sua

geometria nas porções corticais e medulares do osso e não necessariamente no

mecanismo da osseointegração (PARK, KWON e SUNG, 2005). Por isso, a forma e

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o comprimento das espiras são fundamentais para a sua estabilidade. Assim, a

resistência mecânica do MIO pode ser aumentada por alterações na geometria

como a conicidade, passo da rosca, filetes e sulcos diferenciados ou apropriados,

para o autorrosqueamento ou a autoperfuração.

A estabilidade do MIO durante o tratamento ortodôntico também pode estar

relacionada à densidade óssea, à espessura da cortical, à saúde dos tecidos moles

periimplantares, à força ortodôntica aplicada e à técnica cirúrgica de inserção

(KRAVITZ e KUSNOTO, 2007). Contudo, a questão sobre qual ou quais fatores

determinam a estabilidade ou a falha dos MIOs ainda permanece sem uma resposta

satisfatória (CORNELIS et al., 2007).

A utilização do MIO é baseada na estabilidade mecânica primária, e não na

estabilidade secundária, advinda da osseointegração (DUCOS, 2010). A ocorrência

de osseointegração dificulta a sua remoção, o que aumenta o risco de fratura do

implante, do osso ou de ambos (MIYAWAKI et al., 2003).

Outro problema do emprego do MIO refere-se ao índice de perda. De acordo

com (LIN et al., 2010), as taxas de falha de MIOs sobre carregamento ortodôntico

variam de 11% a 30%. Muitas perdas ocorrem devido à sobrecarga na interface

osso-implante.

Park et al. (2001) sugeriram a instalação do MIO inclinado no sentido ocluso-

apical, com uma inclinação de 30° a 40° com o plano ósseo, para se obter melhor

estabilidade e se evitar a proximidade com as raízes dentais.

Pickard et al. (2010) avaliaram a resistência mecânica do MIO ao

tracionamento até a ruptura óssea, em mandíbulas de cadáver, descrevendo maior

estabilidade e resistência quando a força era aplicada próxima ao seu longo eixo. Ou

seja, quanto mais próximo do sentido do eixo axial, maior a resistência, tanto para

orientações no sentido da carga quanto no sentido contrário.

Cornelis et al. (2007), demonstraram que a estabilidade clínica suficiente para

o MIO pode ser alcançada com níveis de osseointegração tão baixo quanto 5%. O

MIO permanece fácil de remover com níveis de osseointegração de até 25%.

Verificaram também, que não há consenso sobre o carregamento ótimo e o período

mínimo de cicatrização necessário para induzir a estabilidade do MIO. Porém, o

carregamento imediato com forças reduzidas parece ser aceitável.

Gracco et al. (2009) utilizaram o MEF e fotoelasticidade para avaliar a relação

comprimento do MIO e sua estabilidade. Quando aplicada uma força de 2 N,

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verificaram que o comprimento ideal do MIO era de 9 mm. Altos picos de tensão

foram encontrados com MIOs mais curtos que 9 mm. Os com mais de 9 mm

resultaram em diminuição dos picos de tensão, mas podem levar a um maior risco

de lesões nas estruturas anatômicas. Outro fato verificado pelos autores é que

as tensões resultantes no osso circundante a um MIO parcialmente osseointegrado

se comporta de maneira bastante uniforme, o que sugere melhor distribuição de

tensões e consequentemente, melhor efetividade como ancoragem.

2.7 ÍNDICE DE SUCESSO E FRACASSO DO MINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO

Mesmo com o aumento do uso clínico da ancoragem esquelética temporária

por meio do MIO, a sua taxa de sucesso é baixa se comparado aos implantes

osseointegrados (97%) (JUNG et al., 2008; FISCHER et al., 2008). Os MIOs

possuem taxas mais baixas variando em torno de 70% (MIYZAWAKi et al., 2003),

80% (MOTOYOSHI et al., 2006; WIECHMANN, MEYER e BUCHTER, 2007) e no

máximo 91% (TSENG et al., 2006; PARK, JEONG e KWON, 2006; KURODA et al.,

2007).

Marassi et al. (2005) avaliaram o sucesso do MIO utilizado como ancoragem

em diferentes localizações da cavidade bucal. Concluíram que 174 dos 190 MIOs

instalados permaneceram estáveis durante o período de tratamento.

Lim et al. (2009) em um estudo retrospectivo, avaliaram 378 MIOs em 154

pacientes para determinar quais os fatores poderiam afetar a sua estabilidade. A

taxa de sucesso dos MIOs foi de 83.6% e não foi encontrado nenhum fator de risco

em potencial. As variáveis analisadas foram idade, sexo, qualidade óssea, sítio de

instalação, além do tipo, comprimento e diâmetro do MIO. Os autores concluíram

que a estabilidade do MIO não pode ser garantida ou prevista pelo Cirurgião-

Dentista, pois existem muitos fatores que podem influenciar em sua estabilidade.

Riscos de fracasso têm sido amplamente relatados na literatura. Os mais

importantes são: inflamação periimplantar (MIYZAWAKI et al., 2003; PARK, KWON

e SUNG, 2005; PARK, JEONG e KWON, 2006; CHEN et al., 2008); colocação

em tecidos não ceratinizados (MIYZAWAKI et al., 2003; CHENG et al., 2004),

colocação no osso mandibular, devido ao tipo ósseo (TSENG et al., 2006; PARK,

JEONG e KWON, 2006; KURODA et al., 2007; CHENG et al., 2004; WIECHMANN,

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MEYER e BUCHTER, 2007), proximidade com as raízes e ligamento periodontal

(MIYZAWAKI et al., 2003; KRAVITZ e KUSNOTO, 2007; CHEN et al.,

2008), excesso de torque de inserção (MOTOYOSHI et al., 2006), diminuição da

densidade óssea (DEGUCHI, 2006; PRABHU e COUSLEY, 2006; KRAVITZ e

KUSNOTO, 2007; CHEN et al., 2008) e carga no prazo de duas (OHASHI et al.,

2006) ou três semanas (CHEN et al., 2008).

Entre os fatores relacionados às características dos MIOs que também podem

levar a falha estão: seu pequeno diâmetro; o seu design (MIYZAWAKI et al., 2003);

características da superfície do implante (KIM et al., 2009); magnitude da carga

(CHENG et al., 2004); e principalmente o ângulo de inserção (KYUNG et al. 2003;

CARANO et al., 2005; MELSEN, 2005; DEGUCHI et al., 2006; KRAVITZ e

KUSNOTO, 2007; LIOU et al., 2007; WILMES, SU e DRESCHER, 2008).

A orientação do posicionamento do MIO é um fator que pode contribuir muito

para a falência direta ou pode afetar alguns dos fatores acima listados de forma

indireta. Alteração da orientação no sentido de inserção do MIO pode reduzir ou

aumentar as tensões. No entanto, essa variável ainda não tem base de evidências e

merece maior avaliação.

2.8 ORIENTAÇÃO DO MINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO

Embora o MIO já tenha sido colocado em quase todas as regiões da maxila, e

mandíbula, uma região que tem sido utilizada com freqüência, por ser uma região

estratégica para a angoragem, é a porção posterior da maxila. Para aplicações do

MIO, a literatura sugere sua orientação com diferentes angulações no sentido

ocluso-apical (Figuras 2 e 3) ou no sentido proximodistal (Figura 4), em relação ao

plano ósseo da lâmina vestibular da maxila.

Entende-se como orientação ocluso-apical, o ângulo formado entre o

implante e um eixo vertical, paralelo ao plano ósseo da lâmina vestibular da maxila.

Já como orientação proximodistal entende-se como o ângulo formado entre o

implante e um eixo horizontal, paralelo ao plano ósseo da lâmina vestibular da

maxila, onde o sentido proximal está a favor da carga aplicada e o sentido distal está

contra a carga aplicada.

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A maioria dos estudos relatados na literatura enfocam a orientação no sentido

ocluso-apical, pois este sentido é ditado pelo cirurgião-dentista, ou seja, não está

sujeito a variações anotômicas do paciente, além de evitar possíveis perfurações

nas raízes dos dentes e propiciar maior contato com o osso cortical, o que aumenta

a estabilidade e o potencial de ancoragem do MIO (PARK, KYUNG e SUNG, 2002;

KYUNG et al. 2003; MELSEN, 2005; MARASSI, 2006; DEGUCHI et al., 2006; LIOU

et al., 2007).

Figura 2 – Orientações ocluso-apicais dos MIOs em relação ao plano ósseo da lâmina vestibular da

maxila num plano vertical (CHOI et al., 2009).

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Figura 3 – Orientação ocluso-apical do MIO em relação ao plano ósseo da lâmina vestibular da

maxila num plano vertical. As letras correspondem aos seguintes planos: V = Vestibular; A = Ápice;

P = Palatino; O = Oclusal

Figura 4 - Orientação proximodistal do MIO em relação ao plano ósseo da lâmina vestibular da maxila

num plano horizontal. Vista superior do corte de uma hemi-maxila. As letras correspondem aos

seguintes planos: D = Distal; P = Palatino; M = Mesial; V = Vestibular. Prox = Proximal;

= ângulo beta foramado no plano horizontal

Essa orientação ocluso-apical pode variar de 10º a 90º (KYUNG et al. 2003;

CARANO et al., 2005; MELSEN, 2005; KRAVITZ e KUSNOTO, 2007; LIOU et al.,

2007).

As orientações de 30° a 40° na maxila e 10° a 20° na mandíbula são

propostas por Park, Kyung e Sung (2002), Kyung et al. (2003) e Park et al. (2004).

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Park, Kyung e Sung (2002) avaliaram tomografias computadorizadas de

diferentes áreas da mandíbula e da maxila e sugeriram que as melhores áreas para

instalação dos MIOs são entre os pré-molares e molares superiores por vestibular na

maxila; entre os primeiros e segundos molares por vestibular na mandíbula e entre

as raízes palatinas dos primeiros e segundos molares superiores, sendo que a

espessura da cortical óssea alveolar aumenta de anterior para posterior.

Park et al. (2004) criaram um protocolo cirúrgico para inserção do MIO, no

qual preconizaram anestesia local infiltrativa, um guia cirúrgico feito de fio de latão

entre os molares e pré-molares para facilitar a inserção da fresa piloto. A incisão de

3,0 mm a 4,0 mm acima da junção muco-gengival, a rotação de 300 rpm para fazer

a perfuração com a fresa piloto, irrigação abundante par evitar necrose do osso,

inserir o MIO manualmente com orientação ocluso-apical, em relação ao plano

ósseo, de 30° a 40° na maxila e de 10° a 20° na mandíbula. Para a remoção dos

mesmos, faz-se rotação no sentido oposto ao da instalação. Normalmente não há

necessidade de anestesia.

Carano et al. (2005), em estudo clínico, sugeriu que a colocação do MIO em

uma orientação ocluso-apical de 30° a 45°, em relação ao plano ósseo, permite

maior contato do MIO com o osso cortical. Porém, não houve diferença significativa

nas taxas de sucesso.

No trabalho de Corso e Marczak (2006), os parâmetros utilizados foram as

orientações do MIO em relação ao plano ósseo, sendo uma no sentido ocluso-

apical, com uma variação de 10°, e outra orientação no sentido proximodistal,

variando 20°. A possibilidade de variação da orientação no sentido ocluso-apical foi

maior, devido à irregularidade geométrica do osso. Concluiu que a orientação ótima

do implante não foi perpendicular à superfície do osso, e sim com inclinações para o

ápice e a favor da carga.

Deguchi et al. (2006) utilizaram tomografias computadorizadas para mensurar

a espessura da cortical alveolar e concluíram que a colocação do MIO na orientação

ocluso-apical de 30° em relação ao plano ósseo, aumentaria o contato com o

osso cortical em até 1,5 vezes se comparado a orientação ortogonal (90°).

Marassi (2006) preconizaram que na maxila e na mandíbula, se utilize

orientações ocluso-apicais de 30° a 60°, em relação ao plano ósseo; na sutura

palatina, 90° a 110° em relação ao palato e 90° para MIOs bicorticais.

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Zhang et al. (2006) utilizaram o MEF para simular um MIO com sete

orientações ocluso-apicais diferentes, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80° e 90°. Uma força

ortodôntica de 2 N foi carregada horizontalmente no sentido mesial do modelo. A

tensão e a distribuição de deslocamento na interface osso-implante foram

analisados. A distribuição de tensões revelou que o valor máximo da tensão diminuiu

significativamente com o aumento do ângulo.

Em 2008, Consolaro et al. verificaram que em qualquer orientação do MIO,

seja ela ocluso-apical ou proximodistal, se houver o contato direto do MIO com uma

raiz dentária poderia ocorrer severas reabsorções externas, pois induziria uma lesão

no local, o que eliminaria os cementoblastos da região específica e promoveria

microáreas de inflamação com formação constante de mediadores. Os

cementoblastos são células responsáveis pela deposição de cemento e reinserção

das fibras periodontais. Os autores ainda relatam que se houver o contato do MIO

com as raízes dentárias, durante sua instalação, o operador pode removê-lo e

mudar a sua orientação de inserção, no mesmo procedimento cirúrgico, sem que

maiores danos ocorram ao paciente, pois as lesões no ligamento periodontal com

até 2 mm de extensão, são naturalmente reparadas.

Segundo Marins (2008), as tensões máximas nos MIOs, quando carregados

em diferentes orientações, se concentravam na região próxima do colo não inserido

no osso.

Wilmes, Su e Drescher (2008), em estudo in vitro com osso ilíaco de suínos,

mensurou o torque a colocação dos MIOs como forma de medir de estabilidade, em

sete orientações ocluso-apicais diferentes (30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80° e 90°).

Relataram que o MIO emergindo do osso com um ângulo diferente de 90°,

potencialmente criaria um braço de alavanca mais longo em relação à força

ortodôntica aplicada, o que poderia levar a um acúmulo de tensões e causar fraturas

ou remodelações ósseas. Porém, os autores concluíram que, para alcançar a melhor

estabilidade e minimizar o risco de contato com as raízes dos dentes, o ideal seria

uma colocação do MIO com a plataforma inclinada no sentido ocluso-apical, entre

60° a 70°, em relação ao plano ósseo.

Por meio do MEF, Geramy (2009) utilizou cinco modelos tridimensionais, que

continham o primeiro e o segundo molar, ligamentos periodontais, osso compacto e

esponjoso. A plataforma do MIO, que não desempenha nenhum papel na resistência

oferecida foi omitido no modelo. Logo, foi aplicada uma força de tração 2 N no MIO

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inserido entre o primeiro e o segundo molar. Quando o MIO foi inserido

perpendicularmente ao osso e entre os molares foi encontrada uma tensão de 0,093

MPa. Essa tensão aumentou, proporcionalmente, quando o MIO foi inclinado em

direção ao primeiro molar (inclinação proximodistal), devido a diminuição do osso ao

redor, e diminuiu quando o MIO foi inclinado em direção ao segundo molar, pois

havia maior quantidade de osso alveolar ao redor do MIO. O autor concluiu que as

alterações na orientação do MIO podem aumentar a concentração de tensão nos

ossos dos dentes adjacentes.

Pollei (2009) avaliou a influência de uma carga aplicada sob MIOs de

diferentes materiais (titânio, aço cirúrgico e um compósito) em diferentes orientações

pelo MEF. Os MIOs foram instalados com orientações ocluso-apicais de

45°, 60°e 90° na parte posterior da maxila, entre o segundo pré-molar e o primeiro

molar. As maiores concentrações ocorridas no osso foram com inclinação da

plataforma do MIO, ocluso-apical de 45° e a menor com 60°. Porém esta diferença

não foi significativa clinicamente. O autor concluiu que as variações das orientações

não interferem no fracasso do MIO. Porém, na distribuição de cargas, os MIOs

manufaturados com titânio concentraram níveis menores de tensão.

De acordo com estudo de Duaibis (2010), se a força é aplicada ao MIO na

direção mesial, a variação da orientação proximodistal do MIO, em relação ao plano

ósseo, tem grande influência sobre as distribuições de tensões. Esta orientação

proximodistal reduz as tensões no osso cortical, mas aumenta a carga sobre o osso

medular, até o ponto de sobrecarregar em alguns casos. A orientação mais favorável

foi de 120° a 135°, pois reduziu a tensão no osso cortical e no MIO, enquanto que no

osso medular não causou sobrecarga.

Ducos (2010) submeteu os MIOs ao carregamento de flexão e tração durante

o período de ancoragem e concluiu que houve redução da superfície de contato do

MIO com o osso e as condições de carregamento tornam-se mais críticas para os

MIOs inclinados em 30° no sentido proximodistal.

Woodall et al. (2011) questionaram que embora o uso do MIO seja ideal para

se obter uma ancoragem ortodôntica, ainda não há protocolo estabelecido pela

literatura para orientação ideal de sua colocação. Por meio do estudo com MEF, os

autores simularam a colocação de MIO entre o segundo pré-molar e o primeiro

molar, na orientações ocluso-apicais de 30°, 60° e 90°, em relação ao plano ósseo, e

exerceram uma carga ortodôntica paralela ao plano oclusal, até que o MIO se

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deslocasse 0,6 milímetros. Paralelo a este método, a mesma situação foi simulada

em 24 hemi-maxilas e hemi-mandíbulas de cadáveres. Os autores concluíram que a

colocação do MIO em uma orientação inferior a 90°, não aumenta a resistência de

ancoragem.

2.9 TECIDO ÓSSEO COMO MATERIAL ESTRUTURAL

O osso pode ter um comportamento viscoelástico, anisotrópico, devendo ser

tratado como um material compósito heterogêneo, principalmente devido à

distribuição irregular das suas trabéculas. Forames, de quaisquer proporções,

podem enfraquecer o tecido ósseo. Quando o diâmetro do forame for maior do que

30% do diâmetro transversal do osso, esse enfraquecimento torna-se muito

acentuado (DUCOS, 2010).

O tecido ósseo pode sofrer ação de forças externas, ou forças internas. Para

cada tipo de força o osso se adaptará e responderá de maneira diferente. Se o

estímulo for de origem extra-óssea, geralmente ocorrerá uma reação osteolítica, ou

seja, reabsorção óssea. Porém, se o estímulo for endósseo, dentro dos limites

fisiológicos, ocorrerá uma reação osteogênica, ou seja, neoformação óssea

(GRABER e SWAIN, 1979).

Fatores importantes na gênese de fraturas do osso são a magnitude, a

duração e a direção das forças. As forças de carregamento podem ser de natureza

axial (trativa ou compressiva) ou de natureza transversal (cisalhante). O osso possui

boa resistência à compressão (DUCOS, 2010).

Influências biomecânicas na estrutura óssea desempenham um papel

importante na longevidade do osso ao redor do MIO (GEDRANGE et al., 2003). O

tecido ósseo é conhecido por remodelar sua estrutura em resposta a aplicação de

cargas. Níveis baixos de tensões podem levar à redução da resistência do tecido

ósseo. Por outro lado, concentrações elevadas de tensões podem resultar em

necrose. Neste último caso, estas tensões podem ser introduzidas por um MIO,

causando consequentemente a sua falha (GEDRANGE et al., 2003).

As tensões impostas provocam encurtamento ou alongamento dos ossos.

Nos esforços de torção, a deformação angular desperta tensões de cisalhamento,

cujo valor máximo ocorre no ponto mais distante do centro, ou seja, na superfície

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cortical. Observando uma seção transversal do osso, verifica-se que as forças de

reação no mesmo, na torção, têm sentido oposto ao torque aplicado.

Lekholm e Zarb (1985) apresentaram uma classificação dos ossos maxilares,

tanto quantitativa, baseada no volume ósseo disponível (Figura 5), quanto

qualitativa, dividindo-os em quatro tipos básicos diferentes (Figura 6). O osso tipo I

apresenta uma cortical muito espessa e um osso medular homogeneamente

compacto; o osso tipo II é um osso com uma cortical densa e osso medular também

denso; osso tipo III é quando se encontra uma camada cortical fina e osso medular

denso; e osso tipo IV possui uma cortical fina e a parte medular pouco trabeculado.

O osso tipo IV é normalmente encontrado em zonas posteriores da maxila.

Figura 5 - Classificação quantitativa dos ossos maxilares (Lekholm & Zarb, 1985)

Figura 6 - Classificação qualitativa dos ossos maxilares (Lekholm & Zarb, 1985)

Takuma et al. (1988), citando Wolf (1892), referiram que o osso esponjoso

remodela sua arquitetura em resposta às tensões aplicadas. Altas concentrações de

tensões podem resultar em reabsorção ou remodelagem óssea, enquanto as

tensões fisiológicas baixas podem levar à atrofia.

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Cruz et al. (1993) descreveram a remodelagem óssea na região de molares e

pré-molares superiores por meio da indução do aumento de cargas funcionais,

geradas pela musculatura mastigatória e transmitidas ao osso por um material

resiliente. Afirmaram que a quantidade de força gerada por material mais ou menos

elástico, tem influência na sua resposta.

Dechow et al. (1993) fizeram um estudo comparativo entre as propriedades

elásticas do osso mandibular e do supraorbital, por meio da aferição da velocidade

de propagação de ondas ultra-sônicas nas três diferentes direções dos corpos de

prova analisados (espessura, altura e comprimento) com ajuda de um

osciloscópio. Encontraram diferenças significativas entre os tipos ósseos, em virtude

de suas diferentes funções. Apesar de sua resistência e dureza, o osso é muito

plástico, sendo capaz de remodelar sua estrutura interna em resposta a

modificações ocasionadas pela aplicação de esforços.

Resumindo as leis básicas de Wolff com relação à resposta óssea às tensões,

Nigg e Grimstom (1995) escreveram: “As leis físicas são o principal fator de

influência na modelagem e remodelagem óssea”.

De acordo com esta lei, os ossos respondem dinamicamente a presença ou

ausência de tensão com mudanças de tamanho, forma e densidade. Assim como

outros materiais, o tecido ósseo pode sofrer deformação elástica e/ou plástica. A

resposta elástica ocorre quando uma carga é aplicada e o osso deforma-se com

mudança no comprimento ou formato em torno de 3%. Retirada a carga o osso

retorna a sua forma original. Já a resposta plástica ocorre após atingir o ponto de

deformação ou limite de escoamento, começam a aparecer micro-rupturas e o osso

deforma-se permanentemente, podendo chegar à fratura (HALL, 2007).

Analisando a adaptação funcional do osso mandibular via MEF, Inou et al.

(1996) encontraram uma estreita relação entre a distribuição das tensões e a

densidade do osso. Afirmaram também que esta correlação mostrou a capacidade

de adaptação funcional deste material, aumentando ou diminuindo sua estrutura de

acordo com a carga que recebe.

Segundo Yamamoto et al. (1996), o tecido ósseo, como um tecido vivo, está

constantemente remodelando sua estrutura quando um estado de tensões interno é

gerado. Um exemplo de remodelagem sob tensões de tração e compressão é o

princípio da movimentação ortodôntica. Quando a força ortodôntica é aplicada,

ocorre remodelagem do osso alveolar resultando no movimento dental. As tensões

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de compressão, de um lado, provocam reabsorção na superfície interna do processo

alveolar. No lado oposto onde ocorrem tensões de tração, há a reposição óssea,

mantendo assim o equilíbrio biológico e o movimento fisiológico desejado.

Oliveira (1997) chegou a conclusão que deve se levar em conta a direção das

forças que se transmitem do implante ao osso, pois o comportamento do osso

depende, entre outros fatores, da angulação de incidencia destas forças.

Hurzeler et al. (1998) compararam o efeito de forças ortodônticas e ligaduras

periimplantares que facilitavam o acúmulo de biofilme, na perda óssea em torno dos

implantes, e não encontraram relação direta do efeito da perda óssea com a

sobrecarga.

Abdel-latif, Hobkirk e Kelleway (2000) demonstraram por meio de um

tensiômetro adaptado que o padrão de deformação do osso mandibular altera

consideravelmente sua forma durante os movimentos normais da mastigação. Isto

demonstrou que, para um mesmo carregamento, os vetores que o descrevem terão

direções diferentes em cada posição de abertura bucal, o que contradiz a hipótese

de linearidade, aumentando consideravelmente a complexidade das análises neste

campo.

Stahl et al. (2009) avaliaram 16 diferentes designs de MIOs utilizando o MEF

e concluiram que a deformação do MIO é influenciada principalmente pela

espessura do osso compacto e, secundariamente, pelo módulo de elasticidade do

osso esponjoso.

A espessura e a densidade do osso cortical são fatores críticos para a

retenção do MIO e variam entre os pacientes e locais dos maxilares. Os locais com

osso cortical espesso e denso são considerados mais estáveis para os MIOs. Na

mandíbula, a área retro-molar e a região posterior bucal satisfazem este critério. Na

maxila a área de sutura do médio-palato é considerada o local mais favorável para

implantação por causa do tecido macio e fino e osso denso (DUCOS, 2010).

A crista infra zigomática, as tuberosidades e o processo alveolar também são

considerados como locais de eleição para colocação dos MIOs (CHATZIGIANNI,

2010).

Estudo feito por Chatzigianni (2010) sugere que quanto maior a densidade

óssea, maior será a tensão e conseqüentemente, a possibilidade de ocorrer algum

tipo de dano ósseo durante a inserção do MIO.

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2.10 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)

O método atual de maior confiabilidade utilizado para os estudos do

comportamento biomecânico é a análise numérica com elementos finitos, conhecida

como método dos elementos finitos (MEF) (POLLEI, 2009; VASUDEVA, 2009;

WOODALL et al., 2011). Trabalhos recentes têm reforçado as facilidades e

seguranças deste método, ampliando sua utilização no campo da odontologia,

principalmente na análise biomecânica em implantes dentais (PELLIZZER et al.,

2010; PELLIZZER et al., 2011).

O MEF consiste em uma simulação numérica computacional utilizada para

predizer o comportamento mecânico de estruturas. Pode ser utilizado para calcular

deformação, tensão, vibração, temperatura, comportamento de flambagem e muitos

outros fenômenos. Esta ferramenta também pode analisar deflexão tanto em

pequena como em grande escala e as deformação elástica e plástica, sob

carregamento ou deslocamento aplicado. Neste método, a geometria ou o domínio

do problema é dividido em vários subdomínios menores e mais simples, chamados

de elementos, nos quais as variáveis encontradas podem ser avaliadas com o uso

de interpolação (VASUDEVA, 2009).

Estes elementos são interconectados em pontos discretos denominados nós.

O conjunto de elementos, resultado da subdivisão da estrutura analisada é

denominado de malha que, na realidade, representa o domínio discretizado, no qual

se representa o problema físico (GENG et al., 2008; VASUDEVA, 2009).

Os resultados do MEF podem ser avaliados visualmente pós-processamento

e numericamente. Uma das vantagens do MEF é que ele permite ao usuário avaliar

as tensões propagadas internamente de um sistema biomédico. Por meio de

ilustração, baseado no criterio de von Mises, o MEF demonstra a concentração e

distribuição de tensão dentro dos limites por meio da utilização de cores

para refletir a sua gradação.

O MEF permite obter inferências à partir de uma única solução matemática

para cada variável ou cenário. Com isso, o tratamento estatístico em cada análise

não é possível, pois existe apenas uma única solução para qualquer conjunto

específico de condições.

Além de aplicações de Engenharia, o MEF tem sido amplamente utilizado em

análises biomecânicas. Weinstein et al. (1976) utilizaram, pela primeira vez, o

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método dos elementos finitos na Odontologia no estudo biomecânico de um implante

cilíndrico poroso.

Borchers e Reichart (1983) fizeram uma análise pelo MEF de distribuição de

tensões em diferentes estágios do desenvolvimento da interface de implantes

osseointegrados, desde os momentos iniciais da osseointegração até a

consolidação total do processo após a remodelagem óssea, simulando índices

diferentes de osseointegração. Modelaram uma mandíbula e a apoiaram pela sua

base, desprezando a ação muscular e o apoio condilar.

Geng et al. (2001), em uma revisão da literatura sobre aplicação do MEF nas

análises biomecânicas na Odontologia, mostraram a relevância do método e sua

aplicação nos estudos da interface osso-implante, na conexão implante-prótese e na

multiplicidade de sistemas implante-protéticos.

Cruz (2001), Cruz et al. (2003, 2006), Toledo et al. (2006), Las Casas et al.

(2008) e Cruz et al. (2009) apresentaram uma série de estudos sobre o

comportamento biomecânico de implantes de geometria cuneiforme utilizando o

MEF em um modelo de uma mandíbula humana obtida de tomografia

computadorizada. Ainda na análise biomecânica dos implantes, Pellizzer et al.

(2010, 2011) avaliaram a distribuição de tensões em diferentes tipos de conexão do

implante e diferentes alturas da coroa protética por meio do MEF.

2.10.1 ABAQUS

O programa computacional Abaqus® (Simulia Dassault Systèmes,

Providence, RI, EUA) é uma ferramenta para simulação em engenharia, com base

no método de elementos finitos, que pode resolver problemas lineares simples e até

análises não lineares.

Este software contém uma extensa biblioteca de elementos que pode modelar

virtualmente qualquer geometria. Pode simular o comportamento da maioria dos

materiais típicos de engenharia, como os metais, a borracha, os polímeros, materiais

compósitos compressíveis e espumas resistentes (GENG et al., 2008).

Abaqus/CAE (Complete Abaqus Environment) é um processo interativo e

gráfico do software. Ele permite que modelos da geometria a ser estudados sejam

criados ou importados. Propriedades físicas dos materiais podem ser atribuídos à

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geometria, juntamente com as cargas e condições de contorno. Uma vez que

o modelo está completo, o Abaqus/CAE pode submeter, monitorar e controlar a

análise dos trabalhos.

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3. PROPOSIÇÃO

O objetivo deste estudo foi avaliar pelo Método de Elementos Finitos (MEF), a

influência da orientação proximodistal do MIO, nas angulações de -10º, -20º, -30º, -

40º, 0º, 10º, 20º, 30º e 40º em relação ao carregamento, na distribuição de tensões

no tecido ósseo.

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4 METODOLOGIA

4.1 COMITÊ DE ÉTICA EM PESQUISA

Este estudo foi encaminhado ao Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade

Federal de Juiz de Fora conforme protocolo CEP-UFJF: 2047.106.2010 e aprovado

sob o número 118/2010 (Anexo 2).

4.2 MODELAGEM GEOMÉTRICA

O conceito do método de elementos finitos envolve a idealização de um

modelo ou de estrutura contínua como se fosse uma montagem de um numero finito

de elementos estruturais conectados por um numero finito de pontos (nós) (CRUZ et

al., 2006).

No caso da análise de tensões, o MEF fornece a magnitude e a distribuição

de tensões e deformações no interior e no contorno da estrutura, sendo um método

seguro para análises de estruturas uni, bi ou tridimensionais quando submetidas a

diferentes ações (TOLEDO, 1996).

Para avaliar as tensões em um modelo são necessárias informações para que

o programa computacional possa processar e calcular as tensões desenvolvidas,

(VASUDEVA, 2009) tais como:

Numero total de pontos nodais;

Numero total de elementos;

Identificação para cada elemento;

Modulo de Young (elasticidade) e o coeficiente de Poisson, associado a cada

elemento, no caso de análise de tensões;

Identificação para cada ponto nodal;

Coordenadas de cada ponto nodal;

Tipo de delimitação confinada;

Aplicação de forças nos nós;

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Primeiramente foi elaborado um modelo de uma maxila atrófica, sem os

dentes, e o MIO a ser testado, em duas dimensões (Figura 7). Foi aplicada uma

força ao longo de eixo Y do MIO com a intensidade de 2 N e se observou as tensões

máximas e mínimas.

Figura 7 – Malha bi-dimensional de uma maxila atrófica e do MIO.

O próximo passo foi modelar as estruturas desejadas como o MIO, uma

sessão posterior maxila e os dentes pré-molar e molar tridimensionalmente.

Foi desenvolvido um modelo geométrico da maxila, com o auxílio de uma

tomografia computadorizada de um paciente de 22 anos da idade, adquirida por

meio de um tomógrafo helicoidal (ProSpeed/GE - General Eletric Company,

Pittsburgh, PA, EUA). As imagens tomográficas foram provenientes do acervo do

Clinest (Centro Clínico de Pesquisa em Estomatologia, Juiz de Fora, MG, Brasil).

As imagens do eixo e das seções transversais no formato Dicom foram

importadas para um software de modelagem tridimensional (Autocad, Autodesk Inc.,

San Rafael, CA, EUA), a partir do qual foi possível extrair as coordenadas dos

pontos que definem a geometria dos tecidos ósseos, cortical e esponjoso, baseado

nas densidades aparentes nas tomografias. As coordenadas dos pontos de cada

uma das seções serviram como bases para geração de curvas do tipo Spline,

delimitando as regiões eletivas. Cada contorno foi exportado no formato .step e, na

sequência, importado pelo software Abaqus (Simulia Dassault Systèmes,

Providence, RI, EUA) para a geração de sólidos deformáveis, gerados por extrusão

(10 mm de espessura), resultando em um modelo sólido, definindo a forma externa e

interna da maxila com áreas de osso compacto e esponjoso, gerando-se depois o

modelo matemático.

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De acordo com Corso e Maczak (2006), casos como este estudado

dispensam o uso de modelos numéricos globais da maxila, visto que os efeitos

significativos das tensões ocorrem somente na região próxima ao local da carga

aplicada, isto é, em torno do MIO. Nesta condição, as regiões anterior e posterior

paramediana foram descartadas, já que também não influenciavam nos resultados

e, com isso, diminui-se muito o custo computacional.

Por meio da interface gráfica do programa de elementos finitos Abaqus/CAE,

foi confeccionado o modelo tridimensional de um MIO. As dimensões utilizadas

foram adquiridas a partir de um MIO autoperfurante (Figura 8).

Figura 8 - MIO autoperfurante Omni® (BiomacMed, Juiz de Fora, MG, Brasil).

Para a modelagem, foram criados quatro sólidos deformáveis, gerados por

revolução: um cilindro de 1 mm de diâmetro e 5,5 mm de altura (correspondente ao

corpo do MIO), um cone de 1 mm de diâmetro e 2,5 mm de altura (respectivo à

ponta ativa do MIO) e uma hélice triangular com 60º, 0,45 mm de altura de filete e

1,1 mm de passo de rosca (relativa à espiral, criada com a função pitch). A

plataforma e o transmucoso do MIO foram simplificadas para um cilindro de 1 mm de

diâmetro e 2 mm de altura, a fim de diminuir o custo computacional. A consolidação

do MIO se deu por meio da união das quatro partes, cada uma rotacionada e

transladada para que ficassem na posição correta, finalizando com operações

booleanas que somam as geometrias, removendo suas interseções

(respectivamente, comandos Merge Geometry e Remove Intersection Boundaries do

programa Abaqus CAE).

O próximo passo foi a modelagem dos dentes. O segundo pré-molar foi feito à

partir de duas imagens do dente: uma vista vestibular e uma vista lateral. Foram

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geradas curvas do tipo Spline, delimitando as vistas vestibular e lateral do dente.

Cada contorno foi exportado no formato .step e, na sequência, importado pelo

Abaqus para a geração de dois sólidos deformáveis, gerados por extrusão na vista

vestibular (9 mm de espessura) e na vista lateral (7 mm de espessura). O próximo

passo foi interseccionar os dois sólidos com as operações booleanas de soma,

removendo as interseções. Já a modelagem do primeiro molar foi diferente, pois a

sua anatomia não é simétrica devido às suas três raízes. A modelagem foi feita com

auxílio da mesma tomografia computadorizada utilizada para modelar a maxila. As

imagens das seções transversais da tomografia do dente selecionado foram

importadas para um software de modelagem tridimensional (Autocad, Autodesk Inc.,

San Rafael, CA, EUA), a partir do qual foi possível extrair as coordenadas dos

pontos que definem a sua geometria, baseado nas densidades aparentes na

tomografia. As coordenadas dos pontos de cada uma das seções serviram como

bases para geração de curvas do tipo Spline, delimitando as regiões eletivas. Cada

contorno foi exportado no formato .step e, na sequência, importado pelo Abaqus

para a geração de sólidos deformáveis, interpolando uma superfície por meio das

seções transversais (comando loft).

Todas as partes, MIO, osso compacto e esponjoso, dentes pré-molar e molar

foram posicionados e unidos com operações booleanas que somam as geometrias,

preservando suas interseções (comandos Merge Geometry e Retain Intersection

Boundaries).

4.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS E CONDIÇÕES DE CONTORNO

Os materiais utilizados foram considerados como sólidos e homogêneos, com

propriedades isotrópicas e lineares-elásticos, isto é, mantêm as propriedades

elásticas em todas as direções. Em seguida foram atribuídos os módulos de

elasticidade para cada parte como mostra a tabela 1.

Para a malha foram gerados aproximadamente 110 mil elementos

tetraédricos, com tamanho aproximado de 0,5 mm para malha global e 0,1 mm para

o MIO. As faces laterais correspondentes à seção da maxila foram engastadas e

tiveram seus deslocamentos e rotações restritas.

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Foi exercida no MIO uma força de 2 N, decomposta a 45º em duas

componentes sobre o plano normal ao seu eixo longitudinal.

As forças musculares foram omitidas, pois a maxila é um osso fixo na base do

crânio, diferente da mandíbula que se articula com a fossa glenóide do osso

temporal e sofre a força dos músculos elevadores e depressores da mandíbula.

Tabela 1 - Propriedades mecânicas dos materiais utilizados nos modelos

Material Módulo de

Elasticidade (MPa)

Coeficiente de

Poisson ()

Referências

Titânio 110.000 0,33 Lewinstein, Banks-Sills e Eliasi, 1995;

Baiamonte et al., 1996

Osso

Compacto

13.700 0,30 Cook, Klawitter e Weinstein 1982;

Lewinstein, Banks-Sills e Eliasi, 1995;

Meijer et al.,1996

Osso

Esponjoso

1.370 0,30 Meijer et al., 1996; Tortamano e Vigorito,

1998

Dente 20.300 0,26 Geramy, 2009

4.4 POSICIONAMENTO DO MIINI-IMPLANTE ORTODÔNTICO

O padrão para a colocação segura do MIO é influenciado pelo seu

comprimento e pelo ângulo de posicionamento. Para a simulação numérica, o MIO

foi instalado em nove orientações proximodistais diferentes. Uma instalação

ortogonal à superfície óssea vestibular (orientação de 0º). Este é o ângulo que o eixo

longitudinal do implante faz com o vetor normal à superfície do osso onde o MIO

está inserido (Figura 9). A convenção de sinais adotada para os ângulos de acordo

com o esboço foi: anti-horário positivo (Figura 10).

Os outros ângulos testados foram de 10º, 20º, 30º e 40º (contrários à força

aplicada) e -10º, -20º, -30º e -40º (a favor da força aplicada).

No plano vertical, o MIO foi instalado ortogonalmente, ou seja, não foi variada

a orientação ocluso-apical em relação a carga. Já no plano horizontal houve

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variação da orientação em relação a carga, que foi aplicada no sentido mesial, ou

seja, no eixo proximal. Consequentemente, a carga ficou contráia ao plano distal.

Figura 9 – Referências ocluso-apical e proximodistal do MIO em relação ao plano ósseo.

Figura 10 – Esquema explicativo das diferentes orientações do MIO

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4.5 ANÁLISE NUMERICA

Após a confecção do modelo completo, com auxílio da interface gráfica do

programa de elementos finitos Abaqus/CAE, foram feitas análises qualitativas e

quantitativas, utilizando o critério de von Mises (VM) com os gráficos das tensões em

gradientes de cores, e análise das tensões principais máxima e mínima (1 e 3)

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5 RESULTADOS

Os resultados obtidos de análises qualitativas e quantitativas, utilizando o

critério de von Mises (VM), os gráficos das tensões em gradientes de cores, tensões

principais máxima e mínima (1 e 3) estão apresentadas a seguir.

A Tabela 2 e o gráfico 1 mostram os resultados com os valores máximos de

tensões de von Mises atuando no MIO, no osso compacto e esponjoso, e também

nos dentes, para as orientações de -10º, -20º, -30º, -40º, 0º, 10º, 20º, 30º e 40º.

Observou-se que ocorreu uma variação da concentração das tensões em função da

orientação, sendo que os menores valores ocorreram em 0º, e os maiores em -20º e

20º.

A maior concentração de tensões ocorreu no osso cortical na região

correspondente ao término da rosca do MIO (Figura 11c).

A figura 11 e suas sub-divisões mostram a distribuição de tensões de acordo

com o critério de von Mises para diferentes cortes e varreduas na orientação de 30º.

Na análise das tensões principais, em cada variação da orientação do MIO,

foi realizada uma varredura em todo o modelo e mapeado a distribuição das

tensões. A concentração das tensões de tração foi maior nas orientações de 20º e

-20º, isto é, a favor e contra a força (Gráfico 2). Já o acúmulo de tensões de

compressão ocorreu na orientação de -30º, ou seja, a favor da força, seguida da

orientação ortogonal (Gráfico 3). Os registros das tensões principais de tração

mostraram uma distribuição semelhante ao critério de von Mises.

Tabela 2 – Maior concentração de tensões de von Mises (MPa) em função da orientação do MIO

Orientações -40º -30º -20º -10º 0º 10º 20º 30º 40º

MIO 23,86 24,91 23,25 29,42

23,43

24,86

25,20

22,93

21,93

Compacto 5,97

5,73

6,61

5,27

5,11

5,18

6,71

5,46

5,89

Esponjoso 0,13

0,13

0,23

0,51

0,20

0,19 0,20 0,18 0,18

Pré Molar 0,09 0,10 0,09 0,09 0,08 0,08 0,08 0,08 0,07

Molar 0,06 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,06 0,06 0,06

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Gráfico 1 - Tensões de Máximas de von Mises atuantes no MIO, osso compacto, osso

esponjoso e nos dentes pré-molar e molar

a b

c

c d

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51

e

e f

f

g h

Figura 11 – Critério de von Mises para orientação de 30o. Respectivamente: a) modelo

completo; b) modelo completo seccionado; c) osso maxilar; d) MIO; e) osso cortical; f) osso medular;

g) pré-molar; h) molar

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a b

c d

e f

g h

Figura 12 – Critério de von Mises para orientação de -30o. Respectivamente: a) modelo

completo; b) modelo completo seccionado; c) osso maxilar; d) MIO; e) osso cortical; f) osso medular;

g) pré-molar; h) molar

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Gráfico 2 - Concentração das tensões de tração no osso cortical de acordo com as diferentes

orientações

Gráfico 3 - Concentração das tensões de compressão no osso cortical de acordo com as

diferentes orientações

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6 DISCUSSÃO

Para identificar o estado das tensões nos tecidos em torno do MIO, a

ferramenta de escolha utilizada para este trabalho foi o MEF devido à sua facilidade

e confiabilidade (TOLEDO et al., 2006; LAS CASAS et al., 2008; CRUZ et al., 2009;

POLLEI, 2009; VASUDEVA, 2009; WOODALL et al., 2011). Entretanto, os valores

das tensões encontrados neste tipo de análise devem servir como referência para se

traçar um perfil da distribuição das tensões, e não como valores absolutos, pois

algumas condições da modelagem não correspodem exatamente à realidade clínica.

A modelagem da geometria é essencial para a simulação por MEF. Quanto

maior o número dos detalhes incluídos nos modelos, mais confiáveis serão os

resultados obtidos. Por outro lado, a inclusão de grande número de detalhes

aumenta o tempo de simulação computacional. Trabalhos como o de Lin et al.

(2010) fizeram a simulação de implantes com formas simplificadas, onde os modelos

das roscas dos implantes não possuíam filetes, dessa maneira, os resultados não

foram fidedígmos com a realidade clínica. No presente trabalho, as modelagens do

MIO, seção da maxila e dentes foram obtidas com auxílio de um software de

modelagem tridimensional (Autocad, Autodesk Inc., San Rafael, CA, EUA), com

emprego das dimensões exatas das medidas, o que podem tornar os resultados

mais próximos da realidade.

Alguns trabalhos de simulação por MEF (COOK et al., 1982; WADAMOTO et

al., 1996; GRACCO et al., 2009) consideram a possibilidade de deslizamento das

interfaces e o contato não linear. Neste trabalho, foi considerada a hipótese de total

contato entre a interface MIO/osso. Clinicamente, tal situação de total

osseointegração não existe, pois o osso e a superfície do MIO estão sujeitos a um

atrito que pode causar desgaste e fricção com conseqüente inflamação ou reação

tecidual. Essa diferença de osseointegração entre a situação clínica e a simulação in

silico deste trabalho poderia diminuir a credibilidade dos resultados, porém, estes

diferentes graus de osseointegração não afetam os níveis de distribuição das

tensões (PAPAVASILIOU et al., 1997). Assim, a adoção de 100% de

osseointegração, como neste caso estudado, não afeta negativamente a análise.

Quanto às condições de apoio, assim como no trabalho de Geramy (2009),

nenhuma força foi aplicada sobre os dentes, devido ao fato de a ancoragem

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ortodôntica ser independe das forças oclusais e mastigatórias do paciente. As forças

musculares também foram omitidas, pois a maxila é um osso fixo na base do crânio,

diferente da mandíbula que se articula com a cavidade glenóide do osso temporal e

sofre ação dos músculos elevadores e depressores da mandíbula (CRUZ, 2007).

Uma melhor orientação do MIO, em relação ao carregamento, poderia evitar

um acúmulo de tensões e, consequentemente, evitar remodelações e até fraturas

ósseas e com isso a perda da ancoragem. A maioria dos estudos relatados na

literatura enfocam a orientação do MIO no sentido ocluso-apical, pois este sentido é

ditado pelo operador, ou seja, não está sujeito a variações anotômicas do paciente

(PARK, KYUNG e SUNG, 2002; KYUNG et al. 2003; PARK et al., 2004; CARANO et

al., 2005; MARASSI, 2005; MELSEN, 2005; DEGUCHI et al., 2006; ZHANG et al.,

2006; KRAVITZ e KUSNOTO, 2007; LIOU et al., 2007; WILMES, SU e DRESCHER,

2008; POLLEI, 2009).

Já a orientação proximodistal pode ser clinicamente ditada ou não, pois além

de ser ultilizado entre as raízes dos dentes, o MIO também pode ser instalado em

regiões edêntulas como o palato e em pacientes multilados de alguns dentes. Existe

uma dificuldade de se avaliar quantitativamente e qualitativamente as distribuições

de tensões em um estudo in vivo, uma alternativa seria o desenvolvimento de um

estudo in silico que simule esta situação clínica. Embora esse tipo de estudo

aproxíme-se da realidade, existem poucos trabalhos (CORSO e MARCZAK, 2006;

GERAMY, 2009; DUAIBIS, 2010; DUCOS, 2010; WOODALL et al., 2011) que

enfocam esta orientação em relação ao carregamento, e consequentemente, ainda

não foi estabelecido pela literatura um protocolo de inserção do MIO para se obter

uma melhor orientação proximodistal.

Clinicamente, a instalação angulada do MIO, seja ocluso-apical ou

proximodistal, permite maior distanciamento em relação às raízes de dentes

adjacentes e promove melhor embricamento mecânico devido ao maior contato das

roscas com a cortical óssea, pois sua trajetória é transversal (CARANO et al., 2003;

DEGUSHI et al., 2006; WILMES, SU e DRESCHER, 2008).

Por outro lado, um MIO emergindo do osso com um ângulo diferente de 90°

(0° neste estudo), com o plano ósseo, potencialmente criaria um braço de

alavanca mais longo em relação à força ortodôntica aplicada, o que poderia levar a

um acúmulo de tensões e causar remodelações ou fraturas ósseas (WILMES, SU e

DRESCHER, 2008). Em parte, este fato foi constatado no presente trabalho. Ao

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analisarmos as tensões máximas de von Mises, percebemos que a orientação na

qual ocorreu menor acúmulo de tensões foi a ortogonal (Tabela 2 e Gráfico 1).

Porém não foi observado que quanto maior a orientação do MIO, isto é, distanciando

de 90°, maior o braço de alavanca e com isso maior o acúmulo de tensões, haja

visto que concentração aumentou em -20° e 20° tanto a favor como contra a carga

aplicada, mas voltou a diminuir em -30° e 30° e obteve um pequeno aumento em -

40° e 40° (Tabela 2 e Gráfico 1).

Barros et al. (2006) recomendaram a inserção do MIO perpendicular ao plano

ósseo (0º), pois angulações muito elevadas poderiam causar o contato direto entre o

MIO e as raízes dos dentes adjacentes. Os valores normais de tensão na superficie

das raízes, incapazes de causar alterações funcionais são levemente superiores à

pressão que o sangue exerce nas paredes dos vasos pela micro circulação, isto é,

de 15 a 20 mmHg, o que corresponde a 20 à 26 gf/cm2 (REN, et al., 2003; SASTRE

e LE GALL, 2010). Já o valor máximo de tensão que os tecidos desta região

conseguem suportar e ainda preservarem a sua vitalidade é até 80 gf/cm2 (KOHNO

et al., 2002), o que equivale à 0,0078 MPa. As tensões encontradas ao redor dos

dentes foram superiores a 0,008 MPa (Tabela 2 e Figuras 11g e 11h), ou seja, de

acordo com os resultados, as diferentes orientações do MIO podem levar algum

dano aos tecidos ao redor das raízes. Todavia, essa informação não pode ser

considerada no cotidiano clínico, pois os ligamentos periodontais não foram

modelados e o seu comportamento clínico poderia mudar estes valores devido à

absorção das tensões. Para Yoshida et al. (2001), em sistemas artificiais, não é

possível reproduzir a resposta fisiológica do ligamento periodontal no momento da

aplicação da carga.

De acordo com estudo de Duaibis (2010), a orientação do MIO proximodistal,

em relação ao carregamento, tem grande influência sobre a distribuição de tensões.

O autor observou uma menor concentração de tensões nas orientações contra o

sentido da carga. No presente trabalho não se observou esta característica, visto

que nas orientações de -20º e 20º, ou seja, a favor e contra o carregamento foram

encontrados maiores concentrações de tensões (Tabela 2 e Gráfico 1). Talvez os

diferentes resultados sejam devidos à utilização de diferentes metodologias, como

por exemplo forma e tamanho dos elementos da malha e condições de contorno.

Assim como nos estudos de Zhang et al. (2006), Marins (2008) e Ducos

(2010) o local de maior concentração de tensões no MIO foi em sua plataforma,

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próximo ao ponto onde foi aplicado a carga (Figura 11d). As tensões máximas foram

reduzidas gradualmente no sentido ocluso-apical do MIO. Estas tensões aborvidas

ao longo do transmucoso foram até quatro vezes menores na região que finaliza a

sua rosca, ou seja, próxima à cortical óssea.

Em um modelo computacional tridimensional, um mesmo elemento submetido

a uma determinada força, apresenta comportamento diferente de acordo com o

modo de análise. Assim, a inclusão no modelo da anisotropia do tecido ósseo

depende do tipo de análise que se deseja realizar, uma vez que tal inclusão pode

gerar dificuldades ao se construir o modelo mecânico e quando se realiza a

discretização da estrutura para análise via MEF (CRUZ, 2007). Uma arternativa

frente a esta situação seria a avaliação das tensões principais de tração e

compressão (CATTANEO, DALSTRA e MELSEN, 2009). Principalmente na região

cortical, pois é nesta região que ocorre o maior embricamento mecânico do MIO,

responsável por sua estabilidade.

As tensões de tração são as tensões positivas que aparecem tanto no gráfico

das máximas tensões principais (1) quanto no gráfico das mínimas tensões

principais (3) (Gráficos 2 e 3). Por outro lado, as tensões de compressão são as

tensões negativas que aparecem em ambos os gráficos (Gráficos 2 e 3). Isto

evidencia a natureza tridimensional da análise, podendo ser observada

distintamente as zonas essencialmente de tração e zonas essencialmente de

compressão.

A concentração das tensões de tração foram maiores nas orientações de -20º

e 20º (Gráfico 2). Por outro lado, na orientação de -30º, ou seja, a favor da força,

ocorreram acúmulos de tensões de compressão no osso cortical (Gráfico 3).

Entretanto todos os valores encontrados para todas as orientações estão dentro de

uma margem de segurança clínica, uma vez que estão bem abaixo do limite

fisiológico de tração e compressão do osso (AMMAR et al., 2011).

Já na análise das tensões máximas de von Mises no tecido ósseo, a maior

concentração ocorreu na parte cortical (Figura 11c). Este resultado era esperado

devido às diferentes propriedades do tecido ósseo compacto e esponjoso como

descrito por Bidez e Misch (1993) e confirmado por outros estudos via MEF

utilizando o MIO (GRACCO et al., 2009; AMMAR et al., 2011). O módulo de

elasticidade do osso cortical é dez vezes maior que do osso medular (Tabela 1).

Esta característica justifica o fato de que as concentrações de tensões no osso

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cortical foram muito maiores do que o osso medular (Tabela 2). Em contrapartida,

Duaibis (2010) sugere que quando um MIO for carregado mesialmente em uma

orientação proximodistal, as tensões no osso cortical seriam reduzidas, mas

ocorreria sobrecarga no osso medular.

O tecido ósseo pode sofrer deformação elástica e/ou plástica. Na resposta

elástica o osso deforma-se com mudança no formato, mas quando é retirada a

carga, retorna a sua forma original. Já a resposta plástica ocorre após atingir o ponto

de deformação ou limite de escoamento, começam a aparecer micro-rupturas e o

osso deforma-se permanentemente, podendo chegar à fratura (HALL, 2007). Dessa

forma é importante que na movimentação ortodôntica, as tensões estejam aquém do

limite de escoamento ósseo.

Conforme a tabela 2 e o gráfico 1, com a força ortodôntica de 2 N, a tensão

máxima encontrada no osso cortical foi de 6,71 MPa no sentido de 20º, valor bem

abaixo do limite de escoamento para a compressão do osso cortical que é de 133

MPa, na qual ocorre micro-rupturas no osso, que dependendo da frequência, pode

causar danos irreversíveis (HALL, 2007). No osso medular, os limites de segurança

clínica se mantiveram, sendo o ponto de escoamento de 2 MPa e a tensão máxima

encontrada de 0,51 MPa na orientação de -10º, como pode ser observado na tabela

2. No material do MIO a concentração máxima foi de 29,42 MPa (Tabela 2), valor

bem abaixo do limite de escoamento do titânio que é de 880 MPa (AMMAR et al.,

2011). Porém este valor de limte de resistência do titânio foi testado em implantes

dentais que possuem em média 3,3 mm de diâmetro, valor três vezes maior que o

diâmetro médio de um MIO. Provavalmente, este limite de resistência do titânio no

MIO possui um valor aquém a 880 MPa, porém superior à 29,42 MPa encontrado no

presente estudo.

As tensões encontradas ficaram dentro de limites que poderiam levar a uma

adaptação do tecido e o com isso estimular a neoformação óssea ao redor do MIO,

principalmente nas orientações de -20º e 20º, onde ocorreram maiores

concentrações de tensões, aumentando sua estabilidade. Os resultados do presente

estudo ratificaram a capacidade do MIO de promover pontos de ancoragem efetiva

em diversas partes do maxila.

No presente trabalho foi avaliado apenas a variação no sentido proximodistal

do MIO, em relação a carga, porém clinicamente esta situação não é a mais usual,

visto que o MIO sofre, simultaneamente, tanto a variação no sentido ocluso-apical

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quanto no sentido proximodistal. Seria interessante a elaboração de modelos

otimizados em trabalhos futuros, com algorítimos genéticos, que avaliassem as

distribuições das tensões associando ambas as orientações e assim, determinar

qual seria a combinação ideal das orientações ocluso-apical e proximodistal do MIO,

para a ancoragem ortodôntica.

Outras propostas de trabalhos futuros seriam a elaboração de modelos

constitutivos como as propriedades anisotrópicas, elasto-plásticas e regenerativas

do tecido ósseo, além da interface de contato do osso com o MIO.

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7 CONCLUSÃO

De acordo com os resultados obtidos dentro da metodologia e do modelo

estudado pôde-se concluir que houve influência da orientação proximodistal do MIO,

em relação ao carregamento, na distribuição de tensões no tecido ósseo, sendo que

os valores mais altos foram encontrados na orientação de -20º e 20º. Porém, todos

os valores encontrados estavam dentro dos limites fisiológicos e clínicos de

utilização deste tipo de dispositivo para ancoragem ortodôntica.

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ANEXOS

Anexo 1: MECÂNICA DOS MATERIAIS

1.1 PROPRIEDADE MECÂNICA DOS MATERIAIS

As propiedades mecânicas são aquelas que mostram como se espera que o

material se comporte quando submetido a condições variadas de carga e ambiente.

Define-se como a capacidade que um material tem de suportar as forças externas

sem que estas venham lhe causar deformações plásticas (BEER, JOHNSTON e

DEWOLF, 2003).

Essas características dependem de sua microestrutura e são determinadas

por meio de técnicas de ensaios padronizados pela ABNT (Associação Brasileira de

Normas Técnicas).

Um material sólido homogêneo apresenta propriedades idênticas ao longo de

todo o volume que ocupa. A maioria dos materiais biológicos são constituídos por

diferentes materiais, portanto, são heterogêneos.

Se as propriedades forem idênticas em todas as direções, em um

determinado ponto ele será um material isotrópico. Um material não-isotrópico, ou

anisotrópico, apresenta propriedades diferentes dependendo da direção. Desses, os

mais simples são os que apresentam propriedades diferentes relativamente a duas

direções mutuamente perpendiculares. Um material que possui essas características

é designado como ortotrópico (BEER, JOHNSTON e DEWOLF, 2003).

Muitos materiais biológicos como o osso são considerados anisotrópicos, ou

seja, as propriedades físicas variam de acordo com a direção. No tecido ósseo as

propriedades mecânicas dependem da disposição de suas fibras (DUCOS, 2010).

Ductibilidade é a propriedade física dos materiais de suportar a deformação

plástica, sob a ação de forças, sem se romper ou fraturar. Ela é caracterizada pelo

ação de uma tensão cisalhante. Também é considerada como a capacidade do

material ser transformado em fios ou tiras. O oposto de dúctil é frágil, ou seja,

quando o material se rompe sem sofrer grande deformação (ANUSAVICE, 1998).

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Tenacidade é uma medida de quantidade de energia que um material pode

absorver antes de fraturar. É o impacto necessário para levar um material à ruptura.

Se um material é tenaz ele pode sofrer um alto grau de deformação sem romper.

A resiliência refere-se à propriedade de alguns materiais de acumular energia

quando exigidos ou submetidos à tensão sem ocorrer ruptura. Após cessar a tensão,

poderá ou não haver uma deformação residual como um elástico que estica até um

certo limite sem arrebentar e depois retorna à forma original dissipando a energia

acumulada.

Viscoelasticidade é a característica de um material que possui sua relação

tensão/deformação dependente do tempo e da taxa de carregamento. Um material

viscoelástico apresenta, ao mesmo tempo, características de um material viscoso e

de um material elástico: apresentam deformação quando tensão de cisalhamento é

aplicada (comportamento viscoso); deformam-se imediatamente quando submetidos

à tensão e retornam à forma original quando a tensão é retirada (comportamento

elástico). Materiais viscoelásticos caracterizam-se pela sua capacidade de

apresentar deformação viscosa sob cargas constantes e de relaxar sob

deslocamentos constantes.

1.2 FORÇAS EXTERNAS E INTERNAS

Todas as forças atuantes em um corpo, incluindo as forças reativas causadas

pelos apoios, são consideradas forças externas. Essas forças são classificadas

como forças de superficie e forças de corpo. Uma força de superficie é concentrada

quando atua em um ponto; porém, ela também pode ser distribuída sobre uma área

finita. Uma força de corpo atua em um elemento de volume, e não sobre uma

superficie, e é devida a campos, como, por exemplo, um campo gravitacional ou um

campo magnético. As forças internas atuantes em um corpo podem ser

consideradas como forças de interação entre as partes do material constituinte do

corpo (BEER, JOHNSTON e DEWOLF, 2003).

Um corpo responde a aplicação de forças externas deformando-se e

desenvolvendo um sistema de esforços internos (BEER, JOHNSTON e DEWOLF,

2003).

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Quando pretende-se conhecer os esforços no interior de um corpo, deve-se

cortá-lo na seção desejada e isolar qualquer um dos lados do corte. No centro de

gravidade desta seção devem aparecer os esforços internos, que consistem em uma

força normal, uma força de cisalhamento, um momento de torção e um momento

fletor (Figura 12). Estes esforços representam a ação da parte retirada do corpo, o

que o mantêm em equilíbrio (BEER, JOHNSTON e DEWOLF, 2003).

Figura 13 – Método das seções. F = forças externas; N = força normal; M = esforço torção;

M”= esforço fletor; V = força cortante.

1.3 TENSÃO

Os conceitos de tensão e deformação são grandezas que propiciam a

descrição do comportamento mecânico de elementos sujeitos a diferentes

carregamentos. Existem dois prinicipais tipos de tensão de interesse – tensão

normal e tensão cisalhante (UGURAL, 2009).

A tensão normal consiste na força por unidade de área, ou intensidade das

forças distribuídas sobre uma dada secção, sendo denotada pela letra grega

(sigma). Dessa forma, a força axial que age na extremidade de uma seção

transversal é a resultante das tensões distribuídas continuamente (BEER,

JOHNSTON e DEWOLF, 2003).

Já a tensão cisalhante, denotada pela letra (tau), será produzida quando as

forças aplicadas tenderem a deslizar uma determinada seção de um corpo

relativamente à outra seção adjacente.

A condição para a qual a tensão seja constante na seção transversal de um

corpo prismático de esforço axial é conhecida como tensão simples. Esta

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distribuição de tensão uniforme somente é possível quando coexistirem três

condições: 1) O corpo deve ser homogêneo (possui as mesmas propriedades físicas

ao longo do seu comprimento) e prismático, isto é, um elemento reto de seção

transversal constante ao longo do seu comprimento, sem furos, entalhes ou roscas,

pois nestes casos tem-se uma concentração de tensão; 2) a força axial atuante

passa pelo centróide da seção tranversal. Esse tipo de carregamento é chamado

carregamento centrado. Se a carga for excêntrica, pode ocorrer a flexão da barra; 3)

a seção em análise é distante das extremidades carregadas (UGURAL, 2009).

Se uma barra prismática é submetida a um esforço normal, como uma força

axial na extremidade que promove um alongamento, tem-se uma tensão de tração;

se a força é reversa em direção, fazendo com que o objeto seja comprimido,

obtemos uma tensão de compressão. Como essas tensões agem em uma direção

perpendicular à superfície de corte, elas são chamadas de tensões normais. Dessa

forma, as tensões normais podem ser de tração ou de compressão (UGURAL,

2009).

Em unidade do Sistema Internacional (SI), a tensão é medida em newtons por

metro quadrado (N/m2) ou pascais (Pa). Como o pascal é uma grandeza muito

pequena, o megapascal (MPa) é geralmente utilizado. Por meio da convensão dos

sinais, as tensões de tração são consideradas positivas e as tensões de compressão

negativas (UGURAL, 2009).

Dividindo a força de cisalhamento total pela área da seção tranversal sobre a

qual ela atua, pode-se determinar a tensão de cisalhamento, ou tensão cisalhante

média na seção. As tensões cisalhantes também se originam de uma forma indireta

quando os elementos são submetidos a cargas axiais e a torção (UGURAL, 2009).

Para determinar as tensões referentes a um número infinito de planos que

passam por um ponto, definindo assim o estado de tensão, precisa-se apenas obter

as componentes de tensão referentes a três planos mutuamente prependiculares

que passam pelo ponto. Esses planos, prependiculares aos eixos coordenados,

representam os três lados de um elementos cúbico. Esse estado tridimensional de

tensões referentes a um elemento isolado do corpo, onde as tensões são

consideradas idênticas em um ponto e uniformemente distribuídas em cada uma das

faces. Elas são indicadas por um único vetor atuante no centro de cada face.

(UGURAL, 2009).

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Com base na figura 13, as componentes normais das tensões são: σxx ; σyy

e σzz. As componentes das tensões de cisalhamento são: σxy; σyx; σxz; σzx; σyz e

σzy. No equilíbrio, σxy = σyx, σxz = σzx e σyz = σzy. Deste modo, as nove

componentes de tensão se reduzem a seis componentes independentes em um

ponto no interior de um corpo sólido (TIMOSHENKO e GOODIER, 1980).

Figura 14 - Componentes de tensão atuando em um elemento cúbico infinitesimal

Em um estado traixial de tensões, as tensões principais são aquelas em torno

das quais um elemento está sujeito apenas às tensões normais e estas são atuantes

em direções mutuamente perpendiculares.

Quando apenas duas tensões normais estão presentes, o estado de tensão é

denominado biaxiais ou plano (Figura 14). Já quando as tensães normais atuam ao

longo de uma única direção, o estado unidimensional de tensões é designado como

sendo uniaxial.

Figura 15 – Tensões no estado plano

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1.4 DEFORMAÇÃO

Diz-se que o corpo está deformado quando as posições relativas entre seus

pontos são alteradas. Considere um corpo sujeito à ação de algumas forças

externas que resultam na alteração de seu posicionamento. Assim, todos os pontos

do corpo são deslocados para suas respectivas novas posições, resultando em uma

deformação (ação mecânica sobre o corpo), de um movimento de corpo rígido

(translação e rotação), ou de uma combinação destes (UGURAL, 2009).

Na deformação específica normal, um sinal positivo refere-se a um

alongamento, e um sinal negativo a uma contração (UGURAL, 2009).

A deformação por cisalhamento é igual à tangente da variação total do ângulo

entre duas linhas originalmente perpendiculares em um corpo durante sua

deformação. Ela será positiva se o ângulo reto entre as linhas de referência diminui,

caso contrário, a deformação por cisalhamento será negativa (UGURAL, 2009).

No caso do problema unidimensional de um elemento carregado axialmente,

as relações entre tensão e carga, e deformação específica e deslocamento

representam duas equações que envolvem três incógnitas: a tensão (), a

deformação específica () e o deslocamento (u). Estas relações são obtidas

atendendo aos princípios da análise: condições de equilibrio e a geometría das

deformações. O número insuficiente de expressões disponíveis é compensado por

uma relação dependente do comportamento do material onde a tensão e a

deformação específica são relacionados. Assim, as cargas atuantes em um

elemento, os delocamentos resultante e as propriedades dos materiais podem ser

associados (UGURAL, 2009).

1.5 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO

O diagrama tensão-deformação ( x ) é uma representação gráfica onde as

abscisas representam as deformações específicas, e as ordenadas representam as

tensões, correspondentes a um corpo de prova sujeito a diversos valores de carga

(UGURAL, 2009).

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Quando um corpo é descarregado e ele retorna às suas dimensões e forma

original, esta propriedade é chamada de elasticidade (UGURAL, 2009).

A característica de um material que suporta deformações além daquela

associada ao limite elástico é chamada de plasticidade. Na curva tensão-

deformação, uma região elástica é seguida de um região plástica. Na zona plástica

não ocorre a recuperação total das dimensões e da forma de um material (UGURAL,

2009).

A curva de tensão-deformação da maioria dos materiais estruturais apresenta

uma região inicial em que o comportamento do material é elástico e linear. A tensão

é diretamente porporcional à deformação específica. Esta relação é conhecida como

lei do Hooke.

x

A constante é denominada módulo de elasticidade ou módulo de Young.

Como a deformação específica é uma grandeza adimensional, o módulo de

elasticidade possui unidade de tensão (UGURAL, 2009). Assim, o módulo é

expresso em pascais em unidades do SI.

O ensaio estático de tração consiste na aplicação de incrementos sucessivos

de carga, realizando-se as correspondentes leituras do alongamento entre as duas

marcas do corpo de prova, fornecidas pelo extensômetro. Já no teste de

compressão, muitos materiais dúcteis se comportam de forma similar quando

sujeitos a uma tração ou a uma compressão na região elástica, com a tensão de

escoamento apresentando praticamente o mesmo nível nestes dois casos

(UGURAL, 2009).

Consideram-se, diversos tipos de diagrama x de vários materiais como o

aço e o alumínio, que apresentam grandes deformações antes da ruptura; outros

porém, como o vidro, o ferro fundido ou o concreto, rompem sem que o material

apresente grandes deformações:

Figura 16 – Diagrama Tensão-Deformação

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Os materiais que seguem os diagrama da figura 15 (a), (b) são denominados

materiais dúcteis, respectivamente, com e sem escomento definido. E na figura 15

(c) são chamados frágeis. Nessas condições, pode-se afirmar que nos materiais

dúcteis a ruptura se faz anunciar por intermédio de grandes deformações e nos

frágeis não há grandes deformações (ferro fundido, concreto) (SCHIEL, 1984)

1.6 COEFICIENTE DE POISSON

Uma carga de tração axial causa uma deformação lateral (´), em qualquer

ponto de um corpo prismático, proporcional à deformação axial no mesmo ponto se

o material é linearmente elástico. A razão entre essas deformações é uma

propriedade do material conhecida como coeficiente de Poisson. Esse coeficiente é

representado pela letra grega (nu) (UGURAL, 2009).

Para a maioria dos metais o valor do coeficiente de Poisson está entre 0,25 e

0,35.

1.7 CRITÉRIO DE VON MISES

Várias teorias foram formuladas para explicar a falha de materiais dúcteis sob

carregamento estático. Duas delas mais ultilizadas são: Teoria da Máxima Tensão

de Cisalhamento (Tresca) e a Teoria da Máxima Energia de Distorção (DUCOS,

2008).

A teoria da Máxima Energia de Distorção é baseado na teoria Mises-Hencky,

também conhecida como critério de tensão de von Mises.

Esta energia é composta de duas parcelas, uma relacionada com a mudança

de volume e outra relacionada com a mudança de forma.

A teoria diz que no ensaio de tração, um material maleável começa a ceder

em um local onde a tensão de von Mises se torna igual ao limite de tensão. Na

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maioria dos casos, o limite de escoamento é usado como limite de tensão, ou seja, à

partir do valor de tensão aplicada em que se dá o início do processo de deformação

plástica.

Nos termos das tensões principais 1, 2 e 3, a tensão de von Mises é

expressa por:

vonMises = {[(1 - 2)2 + (2 - 3)2 + (1 - 3)2]/2}(1/2)

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Anexo 2: Parecer do Comitê de Ética em Pesquisa